DE102009049476A1

DE102009049476A1 - ORC-Verfahren zur Stromerzeugung aus Abwärme von BHKW-Anlagen und ORC-Anlage zur Erzeugung elektrischen Stroms aus Abwärme von BHKW-Anlagen

Info

Publication number: DE102009049476A1
Application number: DE200910049476
Authority: DE
Inventors: Ulrich Schmid
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2009-10-15
Filing date: 2009-10-15
Publication date: 2011-04-28

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Stromerzeugung (elektrischen Stroms) aus der Abwärme von BHKW-Anlagen, die mit Energieträgern außer Erdgas oder Heizöl, insbesondere mit Biogas, aber bspw. auch Deponie-, Klär- oder Grubengas, versorgt werden, und andererseits eine Anlage zur Erzeugung elektrischen Stroms aus der Abwärme solcher BHKW-Anlagen. Das Verfahren umfasst zumindest einen ORC-Prozess, wobei als Entspannungsorgan eine für Druckluftbetrieb geeignete Turbine, welche mit dem Arbeitsmittel R 245 fa und ölfrei betrieben wird, eingesetzt wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Stromerzeugung (elektrischen Stroms) aus der Abwärme von BHKW-Anlagen, die mit Energieträgern außer Erdgas oder Heizöl, insbesondere mit Biogas, aber bspw. auch Deponie-, Klär- oder Grubengas, versorgt werden, und andererseits eine Anlage zur Erzeugung elektrischen Stroms aus der Abwärme solcher BHKW-Anlagen.
Durch die Förderung der Verstromung nichtfossiler Rohstoffe (biogene Rohstoffe, Deponie- und Klärgas, aber auch Grubengas), bspw. mittels Biogas, in Kraft-Wärme-Kopplungsanlagen durch das EEG-Gesetz wurden in der Vergangenheit eine Vielzahl solcher Blockheizkraftwerk(BHKW)-Anlagen in der ländlichen Gegend, d. h. insbesondere dort oder außerhalb der Ortschaften, errichtet. Diese Anlagen sind oftmals dadurch gekennzeichnet, dass die anfallende Abwärme nur in geringem Umfang energetisch genutzt wird oder in Ermangelung von entsprechenden Abnehmern genutzt werden kann.
Die Ursache liegt somit insbesondere darin begründet, dass die entsprechenden Wärme-senken fehlen.
Zur Lösung dieses Problems bieten sich grundsätzlich unterschiedliche Technologien an, welche aus dem Stand der Technik an sich bekannt sind. Bei einer dieser Technologien handelt es sich um den ORC(Organic-Rankine-Cycle)-Prozess. Bei dem ORC-Prozess handelt es sich grundsätzlich um einen geschlossenen Kreislauf (Rechtsprozess) eines organischen Arbeitsmittels.
Beispielhaft ist in folgendem Schaltbild (2) ein solcher Prozess dargestellt.
Die Wärmequelle kann bspw. ein Thermoölkreislauf sein, der das Abgas eines BHKW’s von 470°C auf 150°C abgekühlt. Dieses Thermoöl gibt seine Wärme an den ORC-Kreislauf ab, wo das Arbeitsmittel verdampft und in einer Turbine (Expander) entspannt wird. Anschließend wird das Arbeitsmedium wieder kondensiert und mittels einer Pumpe wieder dem Verdampfer zugeführt.
Der Generator, welcher der Turbine nachgeschaltet ist, erzeugt die elektrische Energie.
Diese vorhandene Technologie hat folgende Nachteile:

1. Sie ist hauptsächlich nur im größeren Leistungsbereich ab ca. 400 kWel. verfügbar,
2. es werden i. allg. adaptierte Dampfturbinen zur Entspannung des Arbeitsmediums eingesetzt, wodurch sich der Anlagenpreis stark erhöht,
3. es werden Arbeitstemperaturen deutlich über 100°C benötigt,
4. die Motorabwärme von BHKW’s wird beim Einsatz von Dampfkreisläufen und Entspannung in Turbinen nicht genutzt.

Aufgabe der Erfindung ist es, mittels eines Verfahrens die Abwärme von BHKW-Anlagen im Temperaturbereich bis 90°C zur Elektroenergieerzeugung nutzbar zu machen, diesen Prozess durch Nutzung adaptierter Standard-Komponenten aus anderen Bereichen kostengünstig zu gestalten und die Technik für BHKW-Anlagen aller Leistungsbereiche, insbesondere der unteren, verfügbar zu machen.
Diese Aufgabe der Erfindung wird durch ein Verfahren gemäß den Merkmalen nach Anspruch 1 gelöst.
Erfindungswesentlich ist, dass das Verfahren zumindest einen ORC-Prozess umfasst, wobei als Entspannungsorgan eine für Druckluftbetrieb geeignete Turbine, welche mit dem Arbeitsmittel R 245 fa und ölfrei betrieben wird, eingesetzt wird, eine Turbine (10) und ein Generator (11) in einem gemeinsamen vollhermetisch dichten Gehäuse (20) angeordnet sind und mit dem entspannten kühleren Dampfstrom des Arbeitsmittels R 245 fa die Kühlung des Generators (11) vorgenommen wird.
Mit dieser Erfindung wird es erstmals möglich, mittels eines kostengünstigen ORC-Prozesses die ungenutzte Abwärme von BHKW-Anlagen in allen Leistungsbereichen, insbesondere auch im unteren Leistungsbereich bis max. ca. 400 kWel. (elektrisch), zu nutzen und in elektrische Energie umzuwandeln. Damit wird die energetische Effizienz solcher Blockheizkraftwerk(BHKW)-Anlagen in der ländlichen Gegend, d. h. insbesondere dort oder außerhalb der Ortschaften, stark erhöht. Das bisher schon vorhandene, jedoch ungenutzte, Abwärmepotential kann nunmehr durch ein erfindungsgemäßes Nachrüsten besser genutzt werden. Die somit erzeugte Elektroenergie kann in bekannter Art und Weise verwendet werden.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren kann die ungenutzte Abwärme von BHKW-Anlagen insbesondere bei Bio-Bauern genutzt werden.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren kann die ungenutzte Abwärme von BHKW’s aller Leistungsbereiche verwendet und in elektrische Energie umgewandelt werden.
Vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens werden durch die Merkmale der Ansprüche 2 bis 6 angegeben, ohne die Erfindung damit zu beschränken.
Bevorzugt ist, dass zur Durchführung des Verfahrens zumindest eine ORC-Anlage eingesetzt wird, welche zumindest aus den Komponenten: Frigen Arbeitskreis (4 und 5), Wärmetauscher (6) für die Aufwärmung des Arbeitsmittels in der Flüssigphase, Wärmetauscher (7) für die Verdampfung des Arbeitsmittels, Wärmetauscher (8) für die Überhitzung des Arbeitsmittels, Zahnradpumpe (9), Turbine (10), Generator (11), Frequenzgleichrichter (12), luftgekühlter Kondensator (13) und Sammler Flüssigkeitsphase (14) besteht, wobei als Arbeitsmittel Frigen R 245 fa eingesetzt wird und die Verdampfung und die Kondensation des Arbeitsmittels Frigen R 245 fa unterhalb von 90°C erfolgt.
Bevorzugt ist außerdem, dass mit einem Energieeinsatz von 140 kW (Abwärme bis 90°C) ca. 12 kW Elektroenergie (vor Abzug des Eigenverbrauches) erzeugt werden können.
Diese Aufgabe der Erfindung wird außerdem durch eine Anlage gemäß den Merkmalen nach Anspruch 7 gelöst.
Erfindungswesentlich ist, dass diese Anlage zumindest einen ORC-Prozess umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass wobei das Entspannungsorgan eine für einen Druckluftbetrieb geeignete Turbine (10) ist, welche mit dem Arbeitsmittel R 245 fa und ölfrei betreibbar ist, die Turbine (10) und ein Generator (11) in einem vollhermetisch dichten Gehäuse (20) angeordnet sind und die Kühlung des Generators (11) mit dem entspannten kühleren Dampfstrom des Arbeitsmittels R 245 fa erfolgt.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Anlage werden durch die Merkmale der Ansprüche 8 bis 11 angegeben, ohne die Erfindung damit zu beschränken.
Bezug nehmend auf das Schaltbild der 1 soll nachfolgend das erfindungsgemäße Verfahren mit Verwendung des Arbeitsmittels R 245 fa beschrieben werden; ohne es damit zu beschränken.
Mittels dreier Wärmetauscher wird das Temperaturniveau der Abwärme eines oder mehrerer BHKW’s von ca. 85°C auf ca. 70°C abgesenkt. Im Wärmetauscher (6) (bspw. 40 kW) wird dabei das Arbeitsmittel in der flüssigen Phase von ca. 30°C auf 70°C erwärmt, der Wärmetauscher 7 (bspw. 96 kW) führt die Verdampfung des Arbeitsmittels herbei. Der Wärmetauscher 8 (bspw. 6 kW) nimmt anschließend die Überhitzung des Arbeitsmittels vor.
Der Druck des Arbeitsmittels beträgt dabei bevorzugt ca. 6,1 bar bei einem Temperaturniveau von ca. 80°C.
Die nachgeschaltete Turbine 10 entspannt das Arbeitsmedium, wobei mittels des direkt angeflanschten Generators 11 Elektroenergie mit einer Leistung von ca. 12 kW erzeugt wird. Die Drehzahl der Turbine beträgt bevorzugt ca. 22.000 Umdrehungen pro Minute. Über einen Frequenzgleichrichter 12 wird der erzeugte Strom mit einer Spannung von 400 Volt und einer Frequenz von 50 Hz direkt in das öffentliche Netz eingespeist. Nach der Turbine 10 gelangt das Arbeitsmedium zu dem luftgekühlten Kondensator 13, in dem die Restwärme des Arbeitsmediums, ca. 125 kW, abgeführt und das Arbeitsmedium verflüssigt wird.
Um die Verflüssigung des Arbeitsmediums zu gewährleisten, wird mit dem Regelbaustein 15 ab einer Außentemperatur von 20°C der Druck und die Temperatur nach der Turbine geregelt. Die Temperatur des Arbeitsmediums beträgt bevorzugt 5 K über der jeweils herrschenden Außentemperatur.
Über einen Sammler 14 wird der Zahnradpumpe 9, welche eine Leistungsaufnahme von ca. 1,5 kW hat, das flüssige Arbeitsmedium zugeführt. Diese erhöht den Druck des Arbeitsmediums von ca. 1,5 auf ca. 6,1 bar. Von dort gelangt das Arbeitsmedium wieder zu dem Wärmetauscher 6.
Der Regel-Baustein 3 regelt mit Pumpe 2 die geforderten Temperaturen des Heizungsvor- und -rücklaufes sowie der Dampftemperatur nach Wärmetauscher 8. Die Höhe des Standes der flüssigen Phase des Arbeitsmittels im Wärmetauscher 7 regeln die Komponenten: Begrenzer 16 und Zahnradpumpe 9.
Mit dem Sicherheitsbegrenzer 17 wird bei einer Flüssigphase des Arbeitsmittels im Wärmetauscher 8 eine Abschaltung der Anlage vorgenommen.
Mit dieser Erfindung wird es möglich, mittels eines kostengünstigen ORC-Prozesses die ungenutzte Abwärme von BHKW-Anlagen in allen Leistungsbereichen, insbesondere auch im unteren Leistungsbereich bis 400 kWel. zu nutzen und in elektrische Energie umzuwandeln.
Nachfolgend soll an einem Beispiel einmal der monetäre Effekt des Nachrüstens dieses erfindungsgemäßen Verfahrens skizziert werden.
Die Herstellkosten betragen aktuell ca. 70.000 EUR.
Die Einspeisevergütung nach dem EEG-Gesetz ist von verschiedenen Faktoren abhängig.
Angesetzt werden hier pauschal 20 Ct/kWh.
Bei veranschlagten 8.000 Vollbenutzungsstunden werden mit der ORC-Anlage 12 kW·8.000 h = 96.000 kWh Elektroenergie erzeugt. Der Eigenverbrauch liegt bei 2 kW und damit 16.000 kWh.
Dies führt zu einem Ertrag von:
80.000 kWh/a·0,2 EUR/kWh = 16.000 EUR/a.
Die Wartungskosten betragen ca. 500 EUR/a.
Bei einem Zins von 5% und einer 15 jährigen Abschreibung beträgt der Kapitaldienst 6.744 EUR/a. Somit verbleibt ein jährlicher Gewinn von 8.756 EUR.
Die Beträge verstehen sich jeweils zzgl. MWst.
Das Arbeitsmittel R 245 fa (auch als Frigen bezeichnet) wird durch die Anlage 2, Produktspezifikation (vom 8.1.2007) zum Kältemittel R 245 fa 1,1,1,3,3,-Pentafluorpropan der Firma TEGA, und Anlage 3, Sicherheitsdatenblatt vom 26.10.2007 des Kältemittels (Handelsname) HFC-245fa, Genetron 245fa, der Firma Honeywell, spezifiziert.
Die genannten Drücke verstehen sich jeweils als Überdrücke (barü) gegenüber dem Atmosphärendruck.
Die folgend genannten Aggregateziffern, wie bspw. Turbine (10), beziehen sich auf das Schaltbild nach 1.
Bezugszeichenliste

1: Heizkreis – ca. 85–70°C, Abwärme vom BHKW Medium Wasser, Wärmeentnahmeleistung ca. 140 kW
2: Umwälzpumpe Heizkreis
3: Regelung Heizkreis – Drehzahlregelung Pumpe (2) nach den geforderten Temperaturen des Heizungsvor- und -rücklaufes sowie der Dampftemperatur nach Wärmetauscher (8)
4: Frigen Arbeitskreis – dampfförmig, R 245 fa, Druck ca. 6,1 barü, Temperatur ca. 70–80°C
5: Frigen Arbeitskreis – Flüssigkeitsphase – R 245 fa, Druck ca. 1,8 barü, Temperatur ca. 30°C
6: Wärmetauscher Flüssigphase – Temperatur ca. 30–70°C, Druck 7 barü, Leistung ca. 40 kW
7: Wärmetauscher Verdampfung – Temperatur ca. 70°C, Druck 6,1 barü, Leistung ca. 96 kW
8: Wärmetauscher Dampfphase Überhitzung – Temperatur ca. 80°C, Druck ca. 6,1 barü, Leistung ca. 6 kW
9: Zahnradpumpe – Druckerhöhung der Flüssigkeitsphase von ca. 1,5 auf ca. 6,1 barü, elektrische Leistung ca. 1,5 kW
10: Turbine – ölfreier Betrieb
11: Direkt angeflanschter Generator – elektrische Leistung ca. 12 kW
12: Frequenzgleichrichter – zur direkten Einspeisung des Stroms mit 400 V und 50 Hz in das öffentliche Stromnetz
13: Luftgekühlter Kondensator – Umwandlung Frigen – Dampf in Flüssigkeitsphase (Temperatur ca. 32–40°C, Leistung ca. 125 kW bei Außentemperatur +30°C)
14: Sammler Flüssigkeitsphase
15: Regler – regelt mit Motorventilen (18) Druck und Temperatur nach der Turbine
16: Begrenzer Flüssigphase – regelt den Flüssigkeitsstand im Tauscher (7) mit Pumpe (9)
17: Sicherheitsbegrenzer – bei Flüssigphase des Arbeitsmittels im Wärmetauscher (8) erfolgt eine Abschaltung der Anlage
18: Motorventile zur Leistungsregelung der Turbine
19: Absperrventile
20: Vollhermetisch dichtes Gehäuse für Turbine und Generator

Claims

Verfahren zur Erzeugung elektrischen Stroms aus der Abwärme von BHKW-Anlagen, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren zumindest einen ORC-Prozess umfasst, wobei als Entspannungsorgan eine für Druckluftbetrieb geeignete Turbine, welche mit dem Arbeitsmittel R 245 fa und ölfrei betrieben wird, eingesetzt wird, eine Turbine (10) und ein Generator (11) in einem gemeinsamen vollhermetisch dichten Gehäuse (20) angeordnet sind und mit dem entspannten kühleren Dampfstrom des Arbeitsmittels R 245 fa die Kühlung des Generators (11) vorgenommen wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur Durchführung des Verfahrens zumindest eine ORC-Anlage eingesetzt wird, welche zumindest aus den Komponenten: Frigen Arbeitskreis (4 und 5); Wärmetauscher (6), der für die Aufwärmung des Arbeitsmittels in der Flüssigphase dient; Wärmetauscher (7), der für die Verdampfung des Arbeitsmittels dient; Wärmetauscher (8), der für die Überhitzung des Arbeitsmittels dient; Zahnradpumpe (9), Turbine (10), Generator (11), Frequenzgleichrichter (12), luftgekühlter Kondensator (13) und Sammler Flüssigkeitsphase (14) besteht, wobei als Arbeitsmittel Frigen R 245 fa eingesetzt wird und die Verdampfung und die Kondensation des Arbeitsmittels Frigen R 245 fa unterhalb von 90°C erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Komponente Regelung (3) mit Pumpe (2) zur Regelung der Temperaturen des Heizungsvor- und -rücklaufes sowie der Dampftemperatur nach Wärmetauscher (8) eingesetzt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mittels der Komponenten: Begrenzer-Flüssigphase (16) und Zahnradpumpe (9) die Höhe der flüssigen Phase des Arbeitsmittels R 245 fa im Wärmetauscher (7) geregelt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein vollhermetisch dichter Arbeitskreis besteht.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Druck des Arbeitsmittels Frigen R 245 fa ca. 6,1 bar beträgt.
Anlage zur Erzeugung elektrischen Stroms gemäß des Verfahrens nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass diese Anlage zumindest einen ORC-Prozess umfasst, wobei das Entspannungsorgan eine für einen Druckluftbetrieb geeignete Turbine (10) ist, welche mit dem Arbeitsmittel R 245 fa und ölfrei betreibbar ist, die Turbine (10) und ein Generator (11) in einem vollhermetisch dichten Gehäuse (20) angeordnet sind und die Kühlung des Generators (11) mit dem entspannten kühleren Dampfstrom des Arbeitsmittels R 245 fa erfolgt.
Anlage nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Anlage zumindest eine ORC-Anlage umfasst, welche zumindest aus den Komponenten: Frigen Arbeitskreis (4 und 5), Wärmetauscher (6) für die Aufwärmung des Arbeitsmittels in der Flüssigphase, Wärmetauscher (7) für die Verdampfung des Arbeitsmittels, Wärmetauscher (8) für die Überhitzung des Arbeitsmittels, Zahnradpumpe (9), Turbine (10), Generator (11), Frequenzgleichrichter (12), luftgekühlter Kondensator (13) und Sammler Flüssigkeitsphase (14) besteht, das Arbeitsmittel Frigen R 245 fa ist, wobei die Verdampfung und die Kondensation des Arbeitsmittels Frigen R 245 fa unterhalb von 90°C erfolgt.
Anlage nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Komponente Regelung (3) mit Pumpe (2) die geforderten Temperaturen des Heizungsvor- und -rücklaufes sowie die Dampftemperatur nach Wärmetauscher (8) regelt.
Anlage nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass mit Regelbaustein (15) ab einer Außentemperatur von 20°C der Druck und die Temperatur nach der Turbine geregelt wird, wobei die Temperatur des Arbeitsmediums ca. 5 K über der jeweils herrschenden Außentemperatur beträgt.
Anlage nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass mittels der Komponenten: Begrenzer Flüssigphase (16) und Zahnradpumpe (9) die Höhe der flüssigen Phase des Arbeitsmittels R 245 fa im Wärmetauscher (7) geregelt wird.