DE102008005978A1

DE102008005978A1 - Niedertemperaturkraftwerk und Verfahren zum Betreiben eines thermodynamischen Zyklus

Info

Publication number: DE102008005978A1
Application number: DE102008005978A
Authority: DE
Inventors: Helge B. Dr. Petersen; Ingo Schröter
Original assignee: E-POWER GmbH; Power E GmbH
Current assignee: E 2 - Power 63225 Langen De GmbH; E 2 - Power De GmbH
Priority date: 2008-01-24
Filing date: 2008-01-24
Publication date: 2009-07-30
Anticipated expiration: 2028-01-25
Also published as: US20090211251A1; DE102008005978B4; EP2136040A2

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Betreiben eines thermodynamischen Zyklus, insbesondere eines Niedertemperaturkraftwerkes, sowie ein zugehöriges Verfahren, wobei ein Niedertemperatur-Massenstrom (1) einem in einem ersten Kreislauf zyklierenden Arbeitsfluid (6) bei einem Ausgangstemperaturniveau (T1) einen ersten Wärmestrom zuführt, wobei nach einer Expansion des Arbeitsfluids in einer Expansionsmaschine (7) dem Arbeitsfluid (6) bei einem gegenüber dem Ausgangstemperaturniveau (T1) niedrigeren Expansions-Temperaturniveau (T5) zur Verbesserung einer Energieausbeute des thermodynamischen Zyklus bzw. des Niedertemperaturkraftwerkes ein zweiter Wärmestrom entzogen wird, welcher auf ein höheres Pump-Temperaturniveau gepumpt wird und dem Niedertemperatur-Massenstrom (1) oder/und dem ersten Kreislauf zumindest teilweise wieder zugeführt wird.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Betreiben eines thermodynamischen Zyklus, insbesondere ein Niedertemperaturkraftwerk, sowie ein zugehöriges Verfahren, wobei ein Niedertemperatur-Massenstrom einem in einem ersten Kreislauf zirkulierenden Arbeitsfluid bei einem Ausgangstemperaturniveau einen ersten Wärmestrom zuführt und wobei nach einer Expansion des Arbeitsfluids in einer Expansionsmaschine dem Arbeitsfluid bei einem gegenüber dem Ausgangstemperaturniveau niedrigeren Expansions-Temperaturniveau insbesondere in einer Kühlvorrichtung ein zweiter Wärmestrom entzogen wird.
Derartige thermodynamische Zyklen werden insbesondere in Niedertemperaturkraftwerken dazu eingesetzt, aus einem Niedertemperatur-Massenstrom Energie zu gewinnen, beispielsweise mittels einer Turbine, welche als Expansionsmaschine dient. Niedertemperaturkraftwerke finden beispielsweise in der Geothermie, der Solarthermie, bei der Energiegewinnung aus Biomasse, bei der Energiegewinnung aus Abwärme, welche beispielsweise in Faul- oder Gärprozessen wie z. B. in einer Mülldeponie entsteht, oder dgl. Anwendung. Im Zuge der Einsparung fossiler Brennstoffe und im Zuge des Bestrebens auf einen vollständigen Verzicht auf derartige fossile Brennstoffe finden derartige Prozesse stetig wachsendes Interesse.
Auf Grund der im Vergleich zu einem Hochtemperaturkraftwerk kleineren Temperaturdifferenz bei Betrieb des thermodynamischen Zyklus ist ein Wirkungsgrad eines Niedertemperaturkraftwerkes naturgemäß stets deutlich niedriger als in einem Hochtemperaturkraftwerk. Zumal die Temperatur eines Niedertemperatur-Massenstromes auf Grund der Gegebenheiten beispielsweise einer geothermalen Wärmequelle oder eines Abwärme führenden Prozesses vorgegeben ist, bestehen Bestrebungen, eine Energieausbeute eines Niedertemperaturkraftwerkes durch Optimierungsmaßnahmen zu verbessern.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Energieausbeute beim Betrieb eines Niedertemperaturkraftwerkes mit insbesondere nur geringfügigen apparativen Veränderungen bestehender thermodynamischer Zyklen zu verbessern.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine thermodynamische Maschine, insbesondere ein Niedertemperaturkraftwerk, mit den Merkmalen des Anspruches 1 sowie durch ein Verfahren zum Betreiben eines thermodynamischen Zyklus, insbesondere eines Niedertemperaturkraftwerkes, mit den Merkmalen des Anspruches 6 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen sind in den jeweiligen abhängigen Patentansprüchen angegeben.
Bei einer erfindungsgemäßen thermodynamischen Maschine, insbesondere einem Niedertemperaturkraftwerk, mit wenigstens einem ersten Kreislauf zur Zirkulation eines Arbeitsfluids weist der erste Kreislauf wenigstens eine Expansionsmaschine und wenigstens einen ersten Wärmetauscher zur Einspeisung eines ersten Wärmestromes aus einem Niedertemperatur-Massenstrom in den ersten Kreislauf auf, wobei wenigstens ein Wärmetransformator mit seiner kälteren Seite zwischen der Expansionsmaschine und der Kühlvorrichtung bzw. in der Kühlvorrichtung, welche insbesondere ein Kondensator ist, in Wärmestromverbindung mit dem Kreislauf vorgesehen ist und mit seiner wärmeren Seite mit dem Niedertemperatur-Massenstrom oder dem ersten Kreislauf in Wärmestromverbindung steht. Als Wärmestromverbindung weist der Wärmetransformator beispielsweise auf seiner kälteren Seite und seiner wärmeren Seite jeweils einen Wärmetauscher auf.
Vorzugsweise ermöglicht dies eine Erhöhung eines Wirkungsgrades oder eines Wärmedurchsatzes eines thermodynamischen Zyklus, insbesondere eines Nie dertemperaturkraftwerkes. Insbesondere können bestehende Niedertemperaturzyklen durch Einsatz eines Wärmetransformators mit geringem Aufwand umgerüstet werden.
Als Niedertemperatur-Massenstrom wird beispielsweise ein Wasserstrom aus einer geothermalen Sole verwendet. Bei ausreichender Temperatur der geothermalen Sonde kann der Niedertemperatur-Massenstrom auch als Dampf vorliegen. Es können jedoch an Stelle von Wasser auch andere Fluide zur Verwendung als Niedertemperatur-Massenstrom eingesetzt werden. Alternativ zu einer geothermalen Sonde kann der Niedertemperatur-Massenstrom auch mittels Solarthermie, Abwärme aus einem Biomasseprozess, Abwärme aus einem anderen Prozess oder dgl. auf seine Einsatztemperaturen gebracht werden.
Das Arbeitsfluid ist insbesondere so gewählt, dass es bei einer Temperatur des Niedertemperatur-Massenstromes in einer verdampften Form vorliegt, wohingegen es bei einem unteren Temperaturniveau des Kreislaufes in einer flüssigen Phase vorliegt. Je nach Temperatureinsatz werden hierzu entsprechend geläufige Kältemittel verwendet wie beispielsweise Pentan, Butan, andere Kohlenwasserstoffe oder dgl. In einem einfachen Kreislauf wird beispielsweise das Arbeitsfluid in einer ersten Stufe in einem Wärmetauscher durch den Niedertemperatur-Massenstrom verdampft, in einer zweiten Stufe in einer als Expansionsmaschine fungierenden Turbine expandiert und anschließend wieder kondensiert, um erneut vom Niedertemperatur-Massenstrom im Wärmetauscher erwärmt zu werden.
Beispielsweise kann der Kreislauf als Organic-Rankine-Zyklus, ORC, betrieben werden. Dabei wird ein ORC-Fluid, welches z. B. Pentan, Butan oder anderes Kältemittel ist, in einem Vorerwärmer erwärmt, in einem von dem Niedertemperatur-Massenstrom erwärmten Verdampfer verdampft, einer als Expansionsmaschine fungierenden Turbine zugeführt und dort expandiert, und in einem Kon densator abgekühlt, um dem Zyklus erneut zugeführt zu werden. Zwischen Turbine und Kondensator ist dabei ein Rekuperator vorgesehen, welcher der Rückgewinnung von Restwärme aus dem Abgasstrom der Turbine dient. Die dabei gewonnene Wärmemenge wird dazu verwendet, den Vorerwärmer zu speisen. Bei einem Verfahren gemäß der Erfindung ist zusätzlich ein Wärmetransformator vorgesehen, welcher dem Arbeitsfluid nach der Turbine bzw. der Expansionsmaschine und nach dem Rekuperator und vor bzw. in einer Kühlvorrichtung, welche insbesondere ein Kondensator ist, einen zweiten Wärmestrom entzieht und diesen auf ein höheres Pump-Temperaturniveau pumpt und dem Kreislauf oder dem Niedertemperaturmassenstrom wieder zu führt.
Hinsichtlich der Grundlagen eines ORC-Prozesses wird auf die DE 692 18 206 T2 verwiesen, auf welche im Rahmen der Offenbarung vollumfänglich Bezug genommen wird. Vorzugsweise ermöglicht die Verwendung eines ORC-Zyklus, nach diesem Prinzip arbeitende und bereits bestehende Anlagen mit einem geringen Aufwand zur Verbesserung des Wirkungsgrades umzurüsten.
In einer anderen Ausgestaltung kann der Kreislauf als Kalina-Zyklus betrieben werden. Der Kalina-Prozess funktioniert dabei ansatzweise ähnlich wie ein ORC-Prozess, wobei das Arbeitsfluid zunächst erwärmt wird, verdampft wird, in der Expansionsmaschine, beispielsweise einer Turbine, entspannt wird, kondensiert wird und anschließend wieder der Erwärmung zugeführt wird. Im Unterschied zu einem ORC-Prozess wird das Arbeitsfluid im Verdampfer bzw. Desorber mit einem nachfolgenden Separator in eine Dampfphase und eine wässrige Phase aufgespalten, wobei der Dampf über die Expansionsmaschine geleitet wird, während die Flüssigphase nach einer möglichen Wärmerückgewinnung über eine Drossel auf den Austrittsdruck der Expansionsmaschine, insbesondere der Turbine, entspannt wird. Anschließend werden beide Teilströme wieder vereinigt und fließen über einen internen Wärmetauscher an den Kondensator bzw. den Absorber zurück. Nach der Kondensation/Absorption wird der Druck beispielsweise mittels einer Speisepumpe wieder erhöht. Hinsichtlich der Grundlagen eines ORC-Prozesses wird auf die US 2004 0182084 A1 verwiesen, auf welche im Rahmen der Offenbarung vollumfänglich Bezug genommen wird.
Neben diesen Ausgestaltungen kann jede andere Art eines Niedertemperaturkraftwerkes erfindungsgemäß betrieben werden.
Insbesondere ist abstromseitig der Expansionsmaschine eine Kühlvorrichtung vorgesehen, beispielsweise ein Kondensator oder dgl., wobei der zweite Wärmestrom vor oder in der Kühlvorrichtung dem Niedertemperatur-Massenstrom entzogen wird.
Als Wärmetransformator wird beispielsweise ein System mit wenigstens zwei Austreiber-Adsorbern verwendet, wie es in der Patentschrift DE 34 08 192 C2 beschrieben ist, auf welche im Rahmen der Offenbarung vollumfänglich Bezug genommen wird. Alternativ kann eine Kraft-Wärmemaschine mit einem zumindest im wesentlichen adiabatischen Kompressionsschritt eines Arbeitsfluids verwendet werden.
Gemäß einer Weiterbildung ist ein zweiter Kreislauf, insbesondere ein ORC-Kreislauf, mit einem zweiten Wärmetransformator, welcher in gleicher Weise wie der erste Wärmetransformator angeordnet ist, sequentiell zum ersten Kreislauf angeordnet, wobei erster und zweiter Wärmetransformator jeweils mit ihrer warmen Seite mit dem Niedertemperatur-Massenstrom zwischen erstem und zweitem Kreislauf in Wärmestromverbindung stehen. Dazu sind die Wärmetransformatoren beispielsweise an ihren Enden jeweils mit Wärmetauschern versehen, welche an der wärmeren Seite des Wärmetransformators einerseits mit dem Niedertemperatur-Massenstrom in Wärmestromverbindung stehen und auf der kälteren Seite der Wärmetransformatoren andererseits mit dem jeweiligen Kreislauf in Wärmestromverbindung stehen. Die Temperatur der wärmeren Seite des zweiten Wärmetransformators ist dabei vorzugsweise niedriger als die Temperatur der wärmeren Seite des ersten Wärmetransformators. Vorzugsweise sind die Wärmetauscher der Wärmetransformatoren so im Niedertemperatur-Massenstrom angeordnet, dass zunächst die Wärme des zweiten Wärmetransformators an den Niedertemperatur-Massenstrom abgegeben wird und anschließend die Wärme des zweiten Wärmetransformators. Dadurch erfolgt vorzugsweise eine gestufte Temperaturerhöhung des Niedertemperatur-Massenstromes stromaufwärts des zweiten Kreislaufes.
In einer weiteren Ausgestaltung ist ein zweiter Kreislauf vorgesehen, welcher aus einem Zweigstrom aus dem Niedertemperatur-Massenstrom stromabwärts des ersten Kreislaufes gespeist ist, wobei der erste Wärmetransformator mit seinem wärmeren Ende mit dem Zweigstrom stromaufwärts des zweiten Kreislaufes in Wärmestromverbindung steht und wobei eine abstromseitige Rückführung des Zweigstromes stromabwärts des zweiten Kreislaufes in den Niedertemperatur-Massenstrom vorgesehen ist. Beispielsweise kann ein bestehender Wärmekreislauf, insbesondere gemäß dem ORC-Prinzip, dadurch in seiner Energieausbeute verbessert werden, dass dieser mit einem zweiten Wärmekreislauf, insbesondere gemäß dem ORC-Prinzip, gekoppelt wird, lediglich eine Speisleitung von einem Ausgang des ersten Kreislaufes zum Eingang des zweiten Kreislaufes gelegt werden muss und eine Abstromleitung von dem zweiten Kreislauf wieder zur ersten Abstromleitung gelegt werden muss, wobei zusätzlich zu den prinzipiell gewöhnlichen Wärmekreisläufen, gemäß beispielsweise dem ORC-Prinzip, ein Wärmetransformator derart eingesetzt wird, dass sein warmes Ende mit der Eingangsleitung des zweiten Wärmekreislaufes in Wärmestromverbindung steht. Vorzugsweise kann dadurch eine Stromausbeute um etwa 15% verbessert werden.
Um einen geschlossenen Niedertemperatur-Massenstromkreislauf zu realisieren, kann ein zweiter Kreislauf vorgesehen sein, welcher eine abstromseitige Rückführung auf seinen Eingang aufweist, welche mit dem wärmeren Ende des ersten Wärmetransformator in Wärmestromverbindung steht. Der erste und der zweite Kreislauf sind strömungstechnisch insbesondere vollständig voneinander getrennt und stehen nur über den ersten Wärmetransformator miteinander in Wärmestromverbindung.
In einer Weiterbildung ist wenigstens eine Rückführungsleitung zur Rückführung eines Teilstromes aus dem Niedertemperatur-Massenstrom stromabwärts des ersten Kreislaufes vorgesehen, wobei die warme Seite des ersten Wärmetransformators mit diesem Teilstrom in Wärmestromverbindung steht. Dadurch wird vorzugsweise der Niedertemperatur-Massenstrom stromaufwärts des ersten Kreislaufes vergrößert. Insbesondere sind Wärmetransformator und Rückführungsleitung so bemessen, dass der rückgeführte Teilstrom genau auf das Ausgangstemperaturniveau, d. h. die erste Temperatur, des Niedertemperatur-Massenstromes erwärmt werden kann.
In einer anderen Ausgestaltung steht die warme Seite des ersten Wärmetransformators in einem Abschnitt zwischen einem Verdampfer und der Expansionsmaschine mit dem erstem Kreislauf in Wärmestromverbindung. Insbesondere ist dazu in diesem Abschnitt ein entsprechender Wärmetauscher vorgesehen, welcher durch die warme Seite des ersten Wärmetransformators gespeist wird. Damit wird vorzugsweise eine Temperatur des Arbeitsfluids unmittelbar vor Eintritt in die Expansionsmaschine erhöht und somit eine Energieausbeute bei der Expansion verbessert.
Die Erfindung betrifft außerdem ein Verfahren zum Betreiben eines thermodynamischen Zyklus, insbesondere eines Niedertemperaturkraftwerkes, insbesondere gemäß einer der vorbeschriebenen Ausgestaltungen, in dem ein Arbeitsfluid zirkuliert, welchem durch einen Niedertemperatur-Massenstrom bei einem Ausgangstemperaturniveau ein erster Wärmestrom zugeführt wird, wobei nach einer Expansion des Arbeitsfluids in einer Expansionsmaschine unter Abgabe mechanischer Energie dem Arbeitsfluid bei einem zweiten, gegenüber dem Ausgangstemperaturniveau niedrigeren Expansions-Temperaturniveau, insbesondere vor Eintritt in eine Kühlvorrichtung, ein zweiter Wärmestrom entzogen wird, welcher in wenigstens einem Wärmetransformator auf ein Pump-Temperaturniveau, welches höher oder gleich dem Ausgangstemperaturniveau ist, gepumpt wird und dem Niedertemperatur-Massenstrom oder/und dem ersten Kreislauf zumindest teilweise wieder zugeführt wird.
Vorteilhafterweise ermöglicht dies eine Erhöhung eines Wirkungsgrades oder eines Wärmedurchsatzes des thermodynamischen Zyklus, insbesondere eines Niedertemperaturkraftwerkes.
Das Ausgangstemperaturniveau, welches dem Temperaturniveau des Niedrigtemperatur-Massenstromes entspricht, liegt beispielsweise bei Temperaturen zwischen einer Umgebungsaußentemperatur und etwa 200°C, beispielsweise 120°C. Das Pump-Temperaturniveau ist vorzugsweise wenigstens ebenso hoch, vorteilhafterweise jedoch höher als das Ausgangstemperaturniveau.
Um den zweiten Wärmestrom auf das höhere Pump-Temperaturniveau zu pumpen, wird gemäß einer Weiterbildung eine Temperatur eines durch den zweiten Wärmestrom erwärmten Wärmetransformatorfluids mittels wenigstens zwei Austreiber-Adsorbern auf oder über das höhere Pump-Temperaturniveau angehoben.
Dabei wird beispielsweise das Wärmetransformatorfluid bei einem relativ niedrigen ersten Druck aus einem festen Adsorptionsmittel ausgetrieben, das beim Austreiben entstehende gasförmige Wärmetransformatorfluid bei einer relativ niedrigen ersten Temperatur unter Abgabe von Wärme in eine flüssige Phase überführt und in einer flüssigen Phase vorliegendes Wärmetransformatorfluid bei einer mittleren zweiten Temperatur und bei einem relativ höheren Druck unter Wärmeaufnahme in die Gasphase überführt, das gasförmige Arbeitsfluid unter Abgabe von Nutzwärme bei einer relativ hohen dritten Temperatur in einem festen Adsorptionsmittel adsorbiert und der Prozess durch zyklisches Austreiben und Adsorbieren von Arbeitsfluid im Adsorptionsmittel oder Teilen hiervon aufrechterhalten, wobei mindestens zwei, bei unterschiedlichen Temperaturen und Drücken vorliegende Austreiber-Adsorber mittels Wärmetauschvorrichtungen Wärme vom wärmetransformatorfluidreicheren zum wärmetransformatorfluidärmeren Austreiber-Adsorber austauschen, wobei anschließend an den Wärmetausch zwischen diesen Austreiber-Adsorbern durch Druckausgleich Wärmetransformatorfluid zwischen diesen Austreiber-Adsorbern ausgetauscht wird, welches aus dem wärmetransformatorfluidreicheren Adsorptionsmittel unter Wärmeaufnahme ausgetrieben wird und im wärmetransformatorfluidärmeren Adsorptionsmittel unter Wärmeentwicklung adsorbiert wird.
In einer anderen Variante wird ein durch den zweiten Wärmestrom erwärmtes Wärmetransformatorfluid zumindest im wesentlichen adiabatisch komprimiert und dabei auf oder über das Pump-Temperaturniveau erwärmt, um den zweiten Wärmestrom auf das Pump-Temperaturniveau zu pumpen. Als Wärmetransformatorfluid wird wiederum je nach Temperaturbereich ein geeignetes Kältemittel wie beispielsweise Pentan, Butan oder eine andere geeignete Kohlenwasserstoffverbindung verwendet.
Gemäß einer Weiterbildung ist vorgesehen, dass durch den auf das Pump-Temperaturniveau angehobenen zweiten Wärmestrom eine Temperatur des Niedertemperatur-Massenstromes oder/und eine Temperatur des Arbeitsfluids in dem ersten Kreislauf erhöht wird. Dies ermöglicht vorzugsweise eine Steigerung des Wirkungsgrades des thermodynamischen Zyklus, insbesondere Niedertemperaturkraftwerkes. Dazu wird beispielsweise der zweite Wärmestrom auf das höhere Pump-Temperaturniveau gepumpt, welches oberhalb des Aus gangstemperaturniveaus, der Temperatur des Niedertemperatur-Massenstromes, liegt. Auf diese Weise wird die Temperatur des Niedertemperatur-Massenstromes erhöht. In ähnlicher Weise kann auch eine Erhöhung der Temperatur des Arbeitsfluids an einer Stelle im Kreislauf vorgesehen sein. Vorzugsweise wird eine maximale Temperatur des Arbeitsfluids innerhalb des thermodynamischen Zyklus erhöht.
Alternativ oder zusätzlich kann vorgesehen sein, dass der Niedertemperatur-Massenstrom durch teilweise Rückführung eines mit dem zweiten Wärmestrom erwärmten Niedertemperatur-Massenstrom-Abstromes erhöht wird. Vorzugsweise wird der teilrückgeführte Niedertemperatur-Massenstrom-Abstrom dabei auf das gleiche Temperaturniveau wie der eingehende Niedertemperatur-Massenstrom gepumpt. Es versteht sich von selbst, dass der aus der beispielsweise einer geothermalen Quelle geförderte Volumenstrom bzw. Massenstrom sich dabei nicht ändert. Durch die Rückführung wird jedoch der Massenstrom bzw. Volumenstrom, welcher den Kreislauf passiert, erhöht.
Für einen Betrieb des Kreislaufes können verschiedene Ausgestaltungen und Verfahrensabläufe bzw. Anordnungen vorgesehen sein. In einem ersten vorgesehenen Verfahren werden wenigstens zwei Kreisläufe, insbesondere ORC-Kreisläufe, sequentiell vom Niedertemperatur-Massenstrom gespeist, wobei eine Rückführung der jeweils auf das höhere Pump-Temperaturniveau gepumpten zweiten Wärmeströme in den Niedertemperatur-Massenstrom zwischen dem ersten und dem zweiten Kreislauf erfolgt. Vorzugsweise ermöglicht dies eine Temperaturerhöhung des Niedertemperatur-Massenstromes, welcher den ersten Kreislauf, insbesondere den ORC-Prozess, passiert hat, und eine verbesserte Energieausbeute des zweiten ORC-Prozesses.
In einer weiteren Variante sind wenigstens zwei Kreisläufe, insbesondere ORC-Kreisläufe, vorgesehen, wobei aus dem Niedertemperatur-Massenstrom strom abwärts des ersten Kreislaufes ein Zweigstrom zur Speisung des zweiten Kreislaufes abgezweigt wird, welcher stromabwärts des zweiten Kreislaufes wieder mit dem Niedertemperatur-Massenstrom abstromseitig vereinigt wird, wobei der auf das höhere Pump-Temperaturniveau gepumpte zweite Wärmestrom des ersten Kreislaufes dem Zweigstrom zugeführt wird. Dies ermöglicht vorzugsweise eine Verbesserung einer bestehenden Anlage durch Ankopplung eines zweiten thermodynamischen Kreislaufes, insbesondere eines ORC-Kreislaufes.
Gemäß einer Weiterbildung sind wenigstens zwei Kreisläufe, insbesondere zwei ORC-Kreisläufe, vorgesehen, wobei der auf das Pump-Temperaturniveau gepumpte zweite Wärmestrom des ersten Kreislaufes einem Abstrom des zweiten Kreislaufes zugeführt wird, welcher dem zweiten Kreislauf wieder als Zustrom zugeführt wird. Dadurch kann der zweite ORC-Kreislauf bis auf eine Wärmestromverbindung vollständig von dem ersten ORC-Kreislauf getrennt ausgebildet sein. Der Wärmestrom wird dabei überführt, ohne einen Massenstrom zwischen den Kreisläufen auszutauschen.
In einer weiteren Ausgestaltung ist vorgesehen, dass aus dem Niedertemperatur-Massenstrom stromabwärts des ersten Kreislaufes ein Zweigstrom abgezweigt wird, welcher mit dem auf das höhere Pump-Temperaturniveau gepumpten zweiten Wärmestrom erwärmt wird und dem Niedertemperatur-Massenstrom stromaufwärts des ersten Kreislaufes zurückgeführt wird.
Insbesondere ist dabei vorgesehen, den Zweigstrom so zu bemessen, dass dessen Pump-Temperaturniveau vor dem Zurückführen dem Ausgangs-Temperaturniveau des Niedertemperatur-Massenstromes entspricht. Auf diese Weise wird der Niedertemperatur-Massenstrom stromaufwärts des ersten Kreislaufes vergrößert. Vorteilhafterweise führt dies zu einer höheren Energieausbeute. Gleichzeitig wird insbesondere ein Niedertemperatur-Massenstrom-Abstrom trotz des den ersten Kreislaufes passierenden höheren Niedertemperatur-Massenstromes nicht vergrößert.
In einer anderen Ausgestaltung wird der zweite Wärmestrom stromabwärts der Expansionsmaschine entzogen und nach dem Pumpen auf das höhere Pump-Temperaturniveau insbesondere unmittelbar vor der Expansionsmaschine wieder in den ersten Kreislauf eingespeist. Vorzugsweise wird dadurch eine Temperatur in einem Massenstrom des Arbeitsfluids im ersten Kreislaufes zwischen einem Verdampfer und der Expansionsmaschine erhöht. Dabei wird insbesondere das Wärmepotential in diesem Massenstrom erhöht.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand der Zeichnung beispielhaft erläutert. Die Erfindung ist jedoch nicht auf die dort dargestellten Merkmalskombinationen beschränkt. Vielmehr sind jeweils in den Figuren sowie in der Beschreibung dargestellte Merkmale im Rahmen des Schutzbereichs der Patentansprüche zu Weiterbildungen miteinander kombinierbar.
Es zeigen:
1 den Aufbau eines ORC-Zyklus gemäß dem Stand der Technik,
2 den Aufbau eines Kalina-Zyklus gemäß dem Stand der Technik,
3 eine erste Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Zyklus,
4 eine zweite Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Zyklus,
5 eine dritte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Zyklus,
6 eine vierte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Zyklus,
7 eine fünfte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Zyklus,
8 eine sechste Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Zyklus, und
9 eine siebte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Zyklus.
Bei dem in 1 gezeigten Aufbau handelt es sich um einen bei einer geothermalen Anwendung verwendeten Aufbau eines ORC-Zyklus gemäß dem Stand der Technik. Zur Speisung eines Niedertemperatur-Massenstromes 1 ist eine Tiefpumpe 2 vorgesehen, welche aus einer geothermalen Quelle 3 Thermalwasser mit einer Temperatur von 80°C fördert. Der Niedertemperatur-Massenstrom 1 stellt somit ein Ausgangstemperaturniveau von 80°C zur Verfügung und erwärmt mittels eines ersten Wärmetauschers 4 in einem Verdampfer 5 ein Arbeitsfluid 6, welches im Verdampfer 5 zur Verdampfung gebracht wird. Bei dem Arbeitsfluid 6 handelt es sich in der Ausführungsform nach 1 um Pentan. Nach dem Verdampfen wird das Arbeitsfluid 6 einer als Expansionsmaschine fungierenden Turbine 7 zugeführt, in welcher das verdampfte Arbeitsfluid 6 Arbeit leistet und entspannt wird. Dadurch verringert sich die Temperatur des Arbeitsfluids 6, welches anschließend einen Rekuperator 8 durchläuft, auf ein Expansions-Temperaturniveau. Stromabwärts des Rekuperators 8 durchläuft das Arbeitsfluid 6 einen Kondensator 9, in welchem das Arbeitsfluid 6 wieder kondensiert wird. Nach der Kondensation wird das Arbeitsfluid 6 mittels einer Speisepumpe 10 durch den Rekuperator 8 hindurch und einen Vorerwärmer 11 wieder dem Verdampfer 5 zugeführt. Der Rekuperator 8 dient dabei dazu, im Arbeitsfluid 6 nach Expansion in der Turbine 7 enthaltene Wärme zumindest teilweise abzuführen und dem Arbeitsfluid 6 vor Eintritt in den Vorerwärmer 11 wieder zuzuführen.
Der in 2 gezeigte Aufbau eines Kalina-Zyklus gemäß dem Stand der Technik ist in großen Teilen ähnlich dem in 1 gezeigten ORC-Aufbau aufgebaut. Ein aus einer geothermalen Quelle 3 gespeiste Niedertemperatur-Massenstrom 1 erwärmt in einem Desorber 12 ein Arbeitsfluid 6, welches daraufhin desorbiert wird. Anschließend wird dieses Arbeitsfluid 6 in einem Separator 13 in eine Dampfphase 14 und eine wässrige Phase 15 aufgespalten. Als Arbeitsfluid 6 wird Ammoniak-Wassergemisch verwendet. Daher handelt es sich bei der Dampfphase 14 um ammoniakreichen Dampf und bei der wässrigen Phase 15 um eine ammoniakarme wässerige Phase 15. Die Dampfphase 14 wird anschließend einer als Expansionsmaschine fungierenden Turbine 7 zugeführt, in welcher der Dampf 14 expandiert wird und dabei Arbeitet leistet. Die wässrige Phase 15 wird über einen Hochtemperaturrepukerator 16 und eine Drossel 17 wieder mit der Dampfphase 14 nach Austritt aus der Turbine 7 zusammengeführt und über einen Niedertemperaturrekuperator 18 einem Absorber 19 zugeführt. Anschließend wird das Arbeitsfluid 6 mittels einer Speisepumpe 10 über den Niedertemperaturrekuperator 18 und den Hochtemperaturrekuperator 16 sowie einen Vorerwärmer 11 wieder dem Desorber 12 zugeführt.
Ausgehend von diesem Stand der Technik wird im Folgenden die Erfindung anhand verschiedener Varianten schematisch und beispielhaft dargestellt.
In einer ersten Variante gemäß 3 ist ein erster Kreislauf 20 vorgesehen, bei dem es sich um einen ORC-Kreislauf handelt, wie er beispielsweise in der 1 dargestellt ist. Zusätzlich ist ein erster Wärmetransformator 21 vorgesehen, welcher eine warme Seite 22 und eine kalte Seite 23 aufweist. Die warme Seite 22 steht dabei über einen Wärmetauscher 24 mit einem Niedertemperatur-Massenstrom 1 in Wärmestromverbindung. Dieser Niedertemperatur-Massenstrom 1 weist einen Massenstrom dm₁/dt bei einem Ausgangstemperaturniveau T₁ auf. Das Ausgangstemperaturniveau T₁ beträgt dabei 120°C. Nach Passieren des Wärmetauschers 24 weist der Niedertemperatur-Massenstrom 1 eine Temperatur T₂ auf, welche bei 126,34°C liegt. Die Erhöhung der Temperatur T₂ gegenüber dem Ausgangstemperaturniveau T₁ resultiert daraus, dass ein nicht dargestellter Wärmestrom in der ORC-Anordnung gemäß 1 zwischen der dort gezeigten Turbine 7 und dem dort gezeigten Rekuperator 8 mittels eines nicht dargestellten Wärmetauschers zur Erwärmung der kalten Seite 23 des Wärmetransformators 21 genutzt wird, wobei der dabei bei einem Expansions- Temperaturniveau abgeführte zweite Wärmestrom auf ein Pump-Temperaturniveau oberhalb des Ausgangstemperaturniveaus T₁ gepumpt wird.
In einer Ausgestaltung des Verfahrens können der in 1 gezeigte Kondensator 9 und der Rekuperator 8 auch weggelassen werden, so dass das Arbeitsfluid 6 nach der Turbine zur Abfuhr des zweiten Wärmestromes durch den nicht dargestellten Wärmetauscher und von dort zum Vorerwärmer geführt wird.
Stromabwärts des ORC-Kreislaufs 20 weist der Niedertemperatur-Massenstrom eine Temperatur T₃ auf. Diese Temperatur ist sowohl niedriger als das erste Temperaturniveau T₁ als auch die zweite Temperatur T₂.
An Stelle des ORC-Kreislaufs 20 kann in einer nicht dargestellten Ausgestaltung der Erfindung auch ein Kalina-Kreislauf verwendet werden.
In der folgenden Tabelle werden beispielhafte Berechnungen angegeben, und zwar für eine salzhaltige Sole aus Wasser mit einem Salzgehalt von 100 g pro Liter als Niedertemperatur-Massenstrom 1. Der Niedertemperatur-Massenstrom 1 ergibt sich aus der in der ersten Spalte angegebenen Schüttung in l/s und der Dichte der Sole von 1077,84 kg/m³. Der Übersichtlichkeit halber sind jedoch die Volumenströme angegeben. Die Eintrittstemperatur, und damit das Ausgangstemperaturniveau T₁ beträgt gemäß Spalte 2 120°C. Die Austrittstemperatur T₃ beträgt gemäß Spalte 3 75°C. Aus der Wärmekapazität der Sole von 3,2 kJ/(kgK) ergibt sich eine thermische Leistung gemäß Spalte 4. Unter der Annahme eines Wirkungsgrades des Kraftwerkes gemäß Spalte 5 ergibt sich eine elektrische Leistung gemäß Spalte 6. Der Einsatz eines Wärmetransformators 21, welcher den nach der Expansion in der Turbine aus dem Arbeitsfluid 6 entzogenen zweiten Wärmestrom auf das höhere Pump-Temperaturniveau von 160°C pumpt, führt bei der Annahme einer Abwärme von 20% zu einem ausgekoppelten zweiten Wärmestrom gemäß Spalte 7. Unter der Annahme, dass die ser zweite Wärmestrom nach dem Pumpen auf 160°C mit einem Verlust von 10% in den Niedertemperatur-Massenstrom eingekoppelt wird, ergibt sich eine eingekoppelte Wärme gemäß Spalte 8, was zu einer Temperaturerhöhung des Niedertemperatur-Massenstromes 1 gemäß Spalte 9 von 6,34 K bei einem Kraftwerkswirkungsgrad von 12% führt. Damit ergibt sich eine Verbesserung des elektrischen Wirkungsgrades des Niedertemperatur-Kraftwerkes von 14,1%.
Für andere durch den Wärmetransformator abgeführte Abwärmen ergeben sich entsprechend andere Werte. Beispielsweise ergibt sich bei einer Schüttung von 100 l/s und einem Kraftwerkswirkungsgrad von 12% bei einer Abwärme von 25% eine Temperaturerhöhung des Niedertemperatur-Massenstromes 1 von 7,92 K und eine Verbesserung des Wirkungsgrades des Niedertemperatur-Kraftwerkes von 17,6%.

Bei einer Schüttung von 100 l/s bei einem Kraftwerkswirkungsgrad von 12% und einer Abwärme von 30% resultiert eine Temperaturerhöhung von 9,5 K und eine Verbesserung des Wirkungsgrades des Niedertemperatur-Kraftwerkes von 21,1%.

Schüttung in l/s	Eintrittstemp. in °C	Austrittstemp in °C	termische Leistung in kW	KW-Wirkungs grad in %	elektr. Leistung in kW	ausgekoppelte Wärme in kW	eingekoppelte Wärme in kW	Temperaturerhöhung in °C	Wirkungsgraderhöhung
50	120	75	7.760	12	931	1.366	1.093	6,34	14,1%
100	120	75	15.521	12	1.863	2.732	2.185	6,34	14,1%
150	120	75	23.281	12	2.794	4.098	3.278	6,34	14,1%

50	120	75	7.760	14	1.086	1.335	1.068	6,19	13,8%
100	120	75	15.521	14	2.173	2.670	2.136	6,19	13,8%
150	120	75	23.281	14	3.259	4.004	3.204	6,19	13,8%

50	120	75	7.760	16	1.242	1.304	1.043	6,05	13,4%
100	120	75	15.521	16	2.483	2.608	2.086	6,05	13,4%
150	120	75	23.281	16	3.725	3.911	3.129	6,05	13,4%

Bei der in 4 gezeigten Variante ist zusätzlich zu einem ersten ORC-Kreislauf 20 ein zweiter ORC-Kreislauf 25 vorgesehen, welcher sequentiell zu dem ersten ORC-Kreislauf 20 stromabwärts bezogen auf einen Niedertemperatur-Massenstrom 1 angeordnet ist. Weiterhin sind ein erster Wärmetransformator 21 sowie ein zweiter Wärmetransformator 26 vorgesehen, welche mit ihrer warmen Seite 22 jeweils in Wärmestromverbindung mit dem Niedertemperatur-Massenstrom 1 stehen. Die kalten Seiten 23 der Wärmetransformatoren sind wiederum, wie in dem vorstehenden Ausführungsbeispiel gemäß der 3 im Abstrom der Turbine angeordnet. Die aus den Abgasströmen der Turbine jeweils bei einem Expansions-Temperaturniveau herausgeführten zweiten Wärmeströme werden in dem ersten Wärmetransformator 21 bzw. dem zweiten Wärmetransformator 26 jeweils auf ein höheres Pump-Temperaturniveau gepumpt. Durch eine entsprechende Anordnung eines ersten Wärmetauschers 24 und eines zweiten Wärmetauschers 27 kann eine stufenweise Temperaturerhöhung des ersten Niedertemperatur-Massenstromes 1 stromabwärts des ersten ORC-Kreislaufes 20 von einer Temperatur T₂ auf eine Temperatur T₃ und dann anschließend auf eine Temperatur T₄ vorgesehen werden. Die Temperatur T₁ ist dabei wiederum niedriger als das Ausgangstemperaturniveau T₁, wobei das Temperaturniveau T₅, bei welcher der Niedertemperatur-Massenstrom 1 stromabwärts des zweiten ORC-Kreislaufs 25 wieder austritt, niedriger als die Temperatur T₄ ist.
Unter Verwendung der zuvor angeführten Sole als Niedertemperatur-Massenstrom ergeben sich bei einer Ausgangstemperaturniveau T₁ von 120°C und einer Austrittstemperatur T₅ von 75°C folgende Werte für die Temperaturen T₂, T₃ und T₄, wobei das höhere Pump-Temperaturniveau des ersten und zweiten Wärmetransformators jeweils 160°C beträgt und 20% der Abwärme der Turbine mit einem Verlust von 10% von den Wärmetransformatoren abgegeben werden: T₂ = 97,5°C, T₃ = T₂ + 3,96°C, T₄ = T₂ + 3,96°C + 4,26°C. Eine Verbesserung des Wirkungsgrades der Gesamtanlage beträgt dabei 11,2%.
In der Variante gemäß 5 sind ein erster ORC-Kreislauf 20 und ein zweiter ORC-Kreislauf 25 vorgesehen, wobei ein Zweigstrom 28 aus dem Niedertemperatur-Massenstrom 1 stromabwärts des ersten ORC-Kreislauf 20 aus diesem Niedertemperatur-Massenstrom 1 abgezweigt wird, wobei ein Wärmetauscher 24 vorgesehen ist, welcher mit einer warmen Seite 22 eines Wärmetransformators 21 in Wärmestromverbindung steht und so einen Massenstrom dm₂/dt bei einer Temperatur T₂ auf eine Temperatur T₃ erwärmt. Eine kalte Seite 23 des Wärmetransformators 21 ist dabei wiederum wie in den vorbeschriebenen Ausgestaltungen mit einem Arbeitsfluid des ersten ORC-Zyklus 20 im Abstrom einer Turbine in Kontakt gebracht. Der dabei abgeführte zweite Wärmestrom wird mittels des Wärmetransformators 21 auf eine Temperatur oberhalb der Temperatur T₂ gepumpt, so dass der Massenstrom dm₂/dT von der Temperatur T₂ auf die Temperatur T₃ erwärmt werden kann. Dieser erwärmte Massenstrom dm₂/dt mit der Temperatur T₃ wird zum Betrieb des zweiten ORC-Kreislaufs 25 verwendet. Ein Abstrom 29 stromabwärts des zweiten ORC-Kreislaufs 25 wird abstromseitig des ersten ORC-Kreislaufs 20 wieder in den ersten Niedertemperatur-Massenstrom 1 eingespeist. Der Abstrom weist dabei eine Temperatur T₄ auf, welche größer als die Temperatur T₅ ist, welche der Niedertemperatur-Massenstrom 1 am Ende aufweist. Außerdem gilt, dass die Temperatur T₃ größer als die Temperatur T₂ ist.

Unter Verwendung der bereits dargestellten Sole als Niedertemperatur-Massenstrom ergeben sich folgende Werte bei einer beispielhaften Berechnung. Dabei wird ein Zweigstrom 28 gemäß als Teilschüttung gemäß Spalte 6 vorgesehen. Der zweite Wärmestrom, welcher vom Wärmetransformator 21 abgeführt wird beträgt wiederum 20% der im Abstrom der Turbine mitgeführten Wärme. Dieser zweite Wärmestrom wird mit einem Verlust von 10% vom Wärmetransformator nach dem Pumpen auf das höhere Pump-Niveau wieder abgegeben. Die Eintrittstemperatur und damit das Ausgangstemperaturniveau beträgt 120°C, die Austrittstemperatur T₅ beträgt 75°C. Dabei sind die Temperaturen T₂ und T₄ in etwa identisch mit der Temperatur T₅.

Schüttung in l/s	Eintrittstemp. in °C	Austrittstemp. in °C	termische Leistung in kW	Wirkungsgrad in %	elektr. Leistung bei KW-Wirkungsgrad 12%	Teilschüttung in l/s	el. Energieerzeugung in KW	Wirkungsgraderhöhung
50	120	75	7.760	12	931	9,50	177,01	19,0%
100	120	75	15.521	12	1.863	19,01	354,03	19,0%
150	120	75	23.281	12	2.794	28,51	531,04	19,0%

50	120	75	7.760	14	1.086	9,29	201,82	18,6%
100	120	75	15.521	14	2.173	18,58	403,64	18,6%
150	120	75	23.281	14	3.259	27,86	605,46	18,6%

50	120	75	7.760	16	1.242	9,07	225,29	18,1%
100	120	75	15.521	16	2.483	18,14	450,58	18,1%
150	120	75	23.281	16	3.725	27,22	675,87	18,1%

Eine Möglichkeit strömungstechnisch voneinander getrennter Kreisläufe ist in 6 dargestellt. Dabei sind ein erster ORC-Kreislauf 20 und ein zweiter ORC-Kreislauf 25 lediglich über einen Wärmetransformator 21 verbunden, wobei die warme Seite 22 des Wärmetransformators einen Wärmetauscher 24 mit einem Wärmestrom speist. Dieser Wärmestrom wird einem Niedertemperaturmassenstrom 1 zugeführt, welcher über eine abstromseitige Rückführung 29a wieder auf einen Eingang 29b des ORC-Kreislaufes 20 geführt ist und somit fortwährend zirkuliert. Der dem Wärmetransformator 21 zugeführte Wärmestrom wird abstromseitig des ersten ORC-Kreislaufs 20 aus dem Abstrom 29 entnommen.
In einer modifizierten Anordnung gemäß 7 ist der Wärmetauscher 24 entgegen der Ausgestaltung in 6 nicht abstromseitig des ersten ORC-Kreislaufes 20, sondern in diesem ersten ORC-Kreislauf 20 angeordnet. Der Wärmetauscher 24 ist dabei benachbart oder anstelle eines Kondensators vorgesehen.
Bei der in 8 gezeigten Variante wird keine Temperaturerhöhung eines Niedertemperatur-Massenstromes 1 vorgenommen, sondern dieser Niedertemperatur-Massenstrom 1 durch Teilrückführung 30 vergrößert. Dazu wird aus dem Niedertemperatur-Massenstrom 1 stromabwärts eines ORC-Kreislaufs 20 ein Zweigstrom 28 abgezweigt, welcher einen Wärmetauscher 24 durchläuft, der durch die warme Seite 22 des Wärmetransformators 21 gespeist ist. Eine kalte Seite 23 des Wärmetransformators 21 ist wiederum in der vorbeschriebenen Weise mit dem ORC-Kreislauf 20 in Verbindung gebracht. In dem Wärmetauscher 24 wird der Zweigstrom 28 dm₃/dt von einer Temperatur T₂ auf ein Pump-Temperaturniveau T₁ erwärmt, welches genau dem Ausgangstemperaturniveau T₁ des Niedertemperatur-Massenstromes 1 entspricht. Auf diese Weise ergibt sich ein im Vergleich zum ursprünglich vorliegenden Massenstrom dm₁/dt + dm₃/dt. Gleichzeitig beträgt der abströmende Massenstrom lediglich dm₁/dt.

Die folgenden Werte sind wiederum für eine Sole als Niedertemperatur-Massenstrom mit einem Ausgangstemperaturniveau von 120°C als Eintrittstemperatur berechnet. Der Zweigstrom wird gemäß der in Spalte 7 angegebenen Teilschüttung angesetzt. Als Pump-Temperaturniveau des zweiten Wärmestromes sind 160°C vorgesehen, wobei der Wärmetransformator 21 20% der Abwärme der Turbine mit einem Wirkungsgrad von 90% auf das Pump-Temperaturniveau pumpt.

Schüttung in l/s	Eintrittstemp. in °C	Austrittstemp. in °C	termische Leistung in kW	KW-Wirkungsgrad in %	elektr. Leistung in kW	Teilschüttung in l/s	Wirkungsgraderhöhung
50	120	75	7.760,45	12	931,25	9,50	19,0%
100	120	75	15.520,90	12	1.862,51	19,01	19,0%
150	120	75	23.281,34	12	2.793,76	28,51	19,0%

50	120	75	7.760,45	14	1.086,46	9,29	18,6%
100	120	75	15.520,90	14	2.172,93	18,58	18,6%
150	120	75	23.281,34	14	3.259,39	27,86	18,6%

50	120	75	7.760,45	16	1.241,67	9,07	18,1%
100	120	75	15.520,90	16	2.483,34	18,14	18,1%
150	120	75	23.281,34	16	3.725,02	27,22	18,1%

Bei der in 9 gezeigten Anordnung wird ein Arbeitsfluid 6 unmittelbar vor einer Turbine 7 mittels eines Wärmetransformators 21 auf ein höheres Temperaturniveau gebracht. Im Einzelnen handelt es sich wieder um einen ORC-Kreislauf, bei welchem ein Niedertemperatur-Massenstrom 1 einen Verdampfer 5 bei einem Ausgangstemperaturniveau erwärmt, wodurch das Arbeitsfluid 6 verdampft wird und nach einer zusätzlichen Erwärmung durch eine warme Seite 22 des Wärmetransformators 21 der Turbine 7 zugeführt wird. Dort erfolgt eine Expansion, wodurch Arbeit geleistet wird, die in einem elektrischen Generator 31 in elektrische Energie umgewandelt wird. Nach Austritt aus der Turbine 7 wird das expandierte Arbeitsfluid 6 einem Wärmetauscher 24 zugeführt, welcher mit einem kalten Ende 23 des Wärmetransformators 21 in Wärmestromverbindung steht. Dadurch wird dem aus der Turbine austretenden expandierten Arbeitsfluid 6 bei einer Expansions-Temperatur T₅ ein zweiter Wärmestrom entzogen, welcher mit Hilfe des Wärmetransformators 21 auf ein Pump-Temperaturniveau oberhalb der Temperatur T₃ gepumpt wird. Dadurch liegt die Temperatur T₄ vor Eingang in die Turbine 7 oberhalb der Temperatur T₁ des Niedertemperatur-Massenstromes 1 im Verdampfer.

Die folgenden Werte sind wiederum für eine Sole als Niedertemperatur-Massenstrom mit einem Ausgangstemperaturniveau T₁ von 120°C als Eintrittstemperatur berechnet. Als Pump-Temperaturniveau des zweiten Wärmestromes sind 160°C vorgesehen, wobei der Wärmetransformator 21 eine 20% der Abwärme der Turbine mit einem Wirkungsgrad von 90% auf das Pump-Temperaturniveau pumpt. Die Austrittstemperatur T₅ beträgt 75°C.

Schüttung in l/s	Eintrittstemp. in °C	Austrittstemp. in °C	termische Leistung in kW	KW-Wirkungsgrad in %	elektr. Leistung in kW	ausgekoppelte Wärme in kW	eingekoppelte Wärme in kW	Wirkungsgraderhöhung
50	120	75	7.760	12	931	1.366	1.093	14,1%
100	120	75	15.521	12	1.863	2.732	2.185	14,1%
150	120	75	23.281	12	2.794	4.098	3.278	14,1%

50	120	75	7.760,45	14	1.086,46	1.334,80	1.067,84	13,8%
100	120	75	15.520,90	14	2.172,93	2.669,59	2.135,68	13,8%
150	120	75	23.281,34	14	3.259,39	4.004,39	3.203,51	13,8%

50	120	75	7.760,45	16	1.241,67	1.303,76	1.043,00	13,4%
100	120	75	15.520,90	16	2.483,34	2.607,51	2.086,01	13,4%
150	120	75	23.281,34	16	3.725,02	3.911,27	3.129,01	13,4%

1: Niedertemperatur-Massenstrom
2: Tiefpumpe
3: geothermale Quelle
4: erster Wärmetauscher
5: Verdampfer
6: Arbeitsfluid
7: Turbine
8: Rekuperator
9: Kondensator
10: Speisepumpe
11: Vorerwärmer
12: Desorber
13: Separator
14: Dampfphase
15: wässrige Phase
16: Hochtemperatur-Rekuperator
17: Drossel
18: Niedertemperatur-Rekuperator
19: Absorber
20: erster ORC-Kreislauf
21: erster Wärmetransformator
22: warme Seite des Wärmetransformators
23: kalte Seite des Wärmetransformators
24: (erster) Wärmetauscher
25: zweiter ORC-Kreislauf
26: zweiter Wärmetransformator
27: zweiter Wärmetauscher
28: Zweigstrom
29: Abstrom
29a: abstromseitige Rückführung
29b: Eingang (des ORC-Kreislaufes)
30: Teilrückführung
31: elektrischer Generator

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- DE 69218206 T2 [0011]
- US 20040182084 A1 [0012]
- DE 3408192 C2 [0015]

Claims

Thermodynamische Maschine, insbesondere Niedertemperaturkraftwerk, mit wenigstens einem ersten Kreislauf (20) zur Zirkulation eines Arbeitsfluids, wobei der erste Kreislauf (20) wenigstens eine Expansionsmaschine (7) und wenigstens einen Wärmetauscher (24; 27) zur Einspeisung eines ersten Wärmestromes aus einem Niedertemperatur-Massenstrom (1) in den ersten Kreislauf (20) aufweist, wobei wenigstens ein Wärmetransformator (21; 26) mit seiner kälteren Seite (23) stromabwärts der Expansionsmaschine (7) in Wärmestromverbindung mit dem ersten Kreislauf (20) vorgesehen ist, und mit seiner wärmeren Seite (22) mit dem Niedertemperatur-Massenstrom (1) oder dem ersten Kreislauf (20) in Wärmestromverbindung steht.
Thermodynamische Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein zweiter Kreislauf (25), insbesondere ein ORC-Kreislauf, mit einem zweiten Wärmetransformator (26), welcher in gleicher Weise wie der erste Wärmetransformator (21) angeordnet ist, sequentiell zum ersten Kreislauf (20) angeordnet ist, wobei erster (21) und zweiter Wärmetransformator (26) jeweils mit ihrer warmen Seite (22) mit dem Niedertemperatur-Massenstrom (1) zwischen erstem (20) und zweitem Kreislauf (25) in Wärmestromverbindung stehen.
Thermodynamische Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein zweiter Kreislauf (25) vorgesehen ist, welcher aus einem Zweigstrom (28) aus dem Niedertemperatur-Massenstrom (1) stromabwärts des ersten Kreislaufes (20) gespeist ist, wobei der erste Wärmetransformator (21) mit seinem wärmeren Ende (22) mit dem Zweigstrom (28) stromaufwärts des zwei ten Kreislaufes (25) in Wärmestromverbindung steht und wobei eine abstromseitige Rückführung des Zweigstromes (28) stromabwärts des zweiten Kreislaufes (25) in den Niedertemperatur-Massenstrom (1) vorgesehen ist.
Thermodynamische Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein zweiter Kreislauf (25) vorgesehen ist, welcher eine abstromseitige Rückführung (29a) auf seinen Eingang (29b) aufweist, welche mit dem wärmeren Ende (22) des ersten Wärmetransformator (21) in Wärmestromverbindung steht.
Thermodynamische Maschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine Rückführungsleitung (30) zur Rückführung eines Teilstromes (28) aus dem Niedertemperatur-Massenstrom (1) stromabwärts des ersten Kreislaufes (20) vorgesehen ist, wobei die warme Seite (22) des ersten Wärmetransformators (21) mit diesem Teilstrom (28) in Wärmestromverbindung steht.
Thermodynamische Maschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die warme Seite (22) des ersten Wärmetransformators (21) in einem Abschnitt zwischen einem Verdampfer (5) und der Expansionsmaschine (7) mit dem erstem Kreislauf (20) in Wärmestromverbindung steht.
Verfahren zum Betreiben eines thermodynamischen Zyklus, insbesondere in einem Niedertemperaturkraftwerk nach einem der vorhergehenden Ansprüche, mit wenigstens einem Kreislauf (20, 25), in dem ein Arbeitsfluid (6) zirkuliert, welchem durch einen Niedertemperatur-Massenstrom (1) mit einem Ausgangstemperaturniveau ein erster Wärmestrom zuführt wird, wobei nach einer Expansion des Arbeitsfluids (6) in einer Expansionsmaschine (7) unter Abgabe mechanischer Energie dem Arbeitsfluid (6) bei einem gegenüber dem Aus gangstemperaturniveau niedrigeren Expansions-Temperaturniveau ein zweiter Wärmestrom entzogen wird, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Wärmestrom in wenigstens einem Wärmetransformator (21, 26) auf ein Pump-Temperaturniveau, welches höher oder gleich dem Ausgangstemperaturniveau ist, gepumpt wird und dem Niedertemperatur-Massenstrom (1) und/oder dem wenigstens einen Kreislauf (20, 25) zumindest teilweise wieder zugeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass durch den auf das Pump-Temperaturniveau angehobenen zweiten Wärmestrom eine Temperatur des Niedertemperatur-Massenstromes (1) und/oder eine Temperatur des Arbeitsfluids (6) in dem wenigstens einen Kreislauf (20, 25) erhöht wird.
Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Niedertemperatur-Massenstrom (1) durch teilweise Rückführung eines mit dem zweiten Wärmestrom erwärmten Niedertemperatur-Massenstrom-Abstromes (29) erhöht wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens eine Kreislauf (20, 25) als Organic-Rankine-Zyklus (ORC) betrieben wird.
Verfahren nach Anspruch einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens eine Kreislauf (20, 25) als Kalina-Zyklus betrieben wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 7 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens zwei Kreisläufe, insbesondere zwei ORC-Kreisläufe (20; 25), sequentiell vom Niedertemperatur-Massenstrom (1) gespeist werden, wobei eine Rückführung der auf das jeweilige Pump-Temperaturniveau gepumpten zweiten Wärmeströme der Kreisläufe in den Niedertemperatur- Massenstrom (1) zwischen dem ersten (20) und dem zweiten Kreislauf (25) erfolgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 7 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens zwei Kreisläufe (20, 25), insbesondere zwei ORC-Kreisläufe, vorgesehen sind, wobei aus dem Niedertemperatur-Massenstrom (1) stromabwärts des ersten Kreislaufes (20) ein Zweigstrom (28) zur Speisung des zweiten Kreislaufes (25) abgezweigt wird, welcher stromabwärts des zweiten Kreislaufes (25) wieder mit dem Niedertemperatur-Massenstrom (1) abstromseitig vereinigt wird, wobei der auf das Pump-Temperaturniveau gepumpte zweite Wärmestrom des ersten Kreislaufes (20) dem Zweigstrom (29) zugeführt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 7 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens zwei Kreisläufe (20, 25), insbesondere zwei ORC-Kreisläufe, vorgesehen sind, wobei der auf das Pump-Temperaturniveau gepumpte zweite Wärmestrom des ersten Kreislaufes (20) einem Abstrom des zweiten Kreislaufes (25) zugeführt wird, welcher dem zweiten Kreislauf (25) wieder als Zustrom zugeführt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 7 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass aus dem Niedertemperatur-Massenstrom (1) stromabwärts eines Kreislaufes (20) ein Zweigstrom (28) abgezweigt wird, welcher mit dem auf das Pump-Temperaturniveau gepumpten zweiten Wärmestrom erwärmt wird und dem Niedertemperatur-Massenstrom (1) stromaufwärts des Kreislaufes (20) zugeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass der Zweigstrom (28) so bemessen wird, dass dessen Pump-Temperaturniveau vor dem Zurückführen dem Ausgangstemperaturniveau des Niedertemperatur-Massenstromes (1) entspricht.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Wärmestrom stromabwärts der Expansionsmaschine (7) entzogen wird und nach dem Pumpen auf das Pump-Temperaturniveau insbesondere unmittelbar vor der Expansionsmaschine (7) wieder in den Kreislauf (20) eingespeist wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 7 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass eine Temperatur eines durch den zweiten Wärmestrom erwärmten Wärmetransformatorfluids mittels wenigstens zwei Austreiber-Adsorbern auf oder über das Pump-Temperaturniveau angehoben wird, um den zweiten Wärmestrom auf das Pump-Temperaturniveau zu pumpen.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 7 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass ein durch den zweiten Wärmestrom erwärmtes Wärmetransformatorfluid zumindest im wesentlichen adiabatisch komprimiert und dabei auf oder über das höhere Pump-Temperaturniveau erwärmt wird, um den zweiten Wärmestrom auf das Pump-Temperaturniveau zu pumpen.