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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Erzeugung technischer Arbeit durch die Umwandlung von thermischer Energie mit Hilfe von Kreisprozessen.
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Kreisprozesse, die thermodynamische Energie in technische Arbeit umwandeln, sind allgemein bekannt. Die Grundlage dafür ist der Carnot Prozess. Dieser ist jedoch idealisiert und in der Praxis kaum realisierbar. Davon abgeleitet sind einige technische Prozesse. Diese gehen von einem Arbeitsmittel aus, das verschiedene Zustände annehmen kann. Die Prozesse weisen verschiedene Teilschritte auf, wie Druckerhöhung, Wärmezufuhr, Entspannung – wobei die technische Arbeit freigesetzt wird – und Wärmeabfuhr. Zu den energietechnisch wichtigen Kreisprozessen gehören der Clausius-Rankine Prozess, der Joule-Brayton Prozess sowie der Otto, Diesel und Stirling Prozess. Diese sind beispielsweise beschrieben in dem Buch „Energietechnik", Richard A. Zahoransky, Vieweg Verlag, 2004.
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Es sind auch speziellere Kreisprozesse bekannt, nämlich die sogenannten Organic Rancine Cycle (ORC) Prozesse. Diese werden beispielsweise verwendet in geothermischen Kraftwerken, wie dem in Neustadt-Glewe und sind beispielsweise beschrieben in „Geothermische Technologien", Tagung Potsdam Februar 2008, VDI Berichte 2026, VDI Verlag 2008, Seite 179ff sowie in „Erdwärmenutzung", Peter Loose, C. F. Müller Verlag, 2007.
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Ein ORC Prozess läuft üblicherweise bei niedrigen Prozesstemperaturen ab. Daher werden organische Arbeitsmittel (Kältemittel) verwendet, wie beispielsweise Perfluoropentan (C5F12; PF 5050), Pentan (C5H12), Ammoniak (NH3), Butan und R123 (CHCl2CF3). Für den ORC Prozess durchläuft das zunächst flüssige Arbeitsmittel einen Vorwärmer und danach einen Verdampfer. In letzterem wird ihm bei konstanter Temperatur Wärme zugeführt. In einer anschließenden Turbine gibt das Arbeitsmittel Arbeit ab. Nutzbare Restwärme wird über mindestens einen Rekuperator zurückgewonnen. Das noch gasförmige Arbeitsmittel wird anschließend in einem Abkühlungsschritt kondensiert und danach wieder auf den gewünschten Druck gepumpt. Ein ORC Prozess ist geeignet, Wärme niedriger Temperatur in mechanische Arbeit umzuwandeln.
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Besondere Ausgestaltungen eines ORC Prozesses sind der zweistufige ORC Prozess und der Kalina Zyklus, der ebenfalls in den genannten Dokumenten sowie in
US 2004/0182084 A1 beschrieben ist, und auf den im Folgenden näher eingegangen wird.
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Der Kalina Zyklus verwendet ein Wasser-Ammoniak-Gemisch als Arbeitsmittel. Charakteristisch für solche zeotropen Gemische ist die nicht-isotherme Verdampfung bzw. Kondensation. Wie bei jedem anderen Rankine-Kreisprozess wird ein zunächst flüssiges Arbeitsmittel erwärmt, so dass es verdampft. in einer Turbine wird es anschließend entspannt, wodurch Arbeit freigesetzt wird. Das Arbeitsmittel wird anschließend kondensiert und mit einer Pumpe wieder auf Prozessdruck gebracht. Wie auch bei anderen ORC Prozessen findet keine Überhitzung statt. Der Kalina Zyklus unterscheidet sich von anderen ORC Prozessen dadurch, dass im Verdampfer mit einem nachfolgendem Separator das Arbeitsmittel aufgespalten wird in Ammoniak reichen Dampf und eine an Ammoniak verarmte wässrige Lösung. Während der Dampf über eine Turbine geleitet wird, wird die wässrige Lösung nach einer möglichen Wärmerückgewinnung, zum Beispiel in einem Hochtemperatur-Rekuperator, auf den Turbinenaustrittsdruck entspannt. Die beiden Teilströme werden danach wieder vereinigt und fließen über einen weiteren Wärmetauscher, wie einem Niedertemperatur-Rekuperator, an einen Kondensator bzw. Absorber zurück. Nach der Kondensation bzw. Absorption erhöht eine Pumpe den Druck des Arbeitsmittels wieder.
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Der Vorteil des bei dem Kalina Zyklus verwendeten Ammoniak-Wasser-Gemisches liegt darin, dass sowohl die Verdampfung als auch die Kondensation nicht-isotherm erfolgen, so dass der Prozess besser an eine Wärmequelle und -senke angepasst werden kann. Er nimmt im Mittel auf höherem Temperaturniveau Wärme auf, was zu einer Erhöhung des Wirkungsgrades führt.
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Es sind aus dem Stand der Technik also eine Reihe von Kreisprozessen bekannt, die aus thermodynamischer Energie technische Arbeit erzeugen.
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Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, den Wirkungsgrad der bekannten Kreisprozesse zu erhöhen.
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Der vorliegenden Erfindung liegt folgende Erkenntnis zugrunde. Bei üblichen Kreisprozessen, wie beispielsweise dem Clausius-Rankine-Prozess, wird thermische Energie aufgewendet, um das Arbeitsmittel, wie Wasser, in einer Brennkammer, einem Brennkessel oder dergleichen, zu erhitzen und sehr heißen und energiereichen Dampf zu erzeugen. Dieser entspannt in einer Turbine, wodurch technische Arbeit abgegeben wird. Danach hat das Arbeitsmittel noch eine Temperatur von etwa 200 Grad Celsius und ist somit noch dampfförmig. Dieser Zustand ist störend für den Ablauf des Kreisprozesses. Daher erfolgt eine Abkühlung in einem Kondensator, Kühlturm oder dergleichen. Das heißt, diese noch vorhandene thermische Energie des Arbeitsmittels wird vernichtet und dafür sind zusätzliche kostenintensive Mittel und Verfahren nötig.
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Um diese kostenintensive Energievernichtung zu verringern oder ganz zu vermeiden wird ein erster Kreisprozess mit einem zweiten Kreisprozess gekoppelt, indem das oben genannte energiereiche Arbeitsmittel, wie beispielsweise der heiße Dampf, einem zweiten Prozess als Wärmequelle zugeführt wird.
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Dabei ist allerdings zu beachten, dass Wärmequellen unterhalb von etwa 200 Grad Celsius nicht geeignet sind, eine Turbine in einem Standardprozess, wie dem Clausius-Rankine-Prozess, effektiv anzutreiben. Daher wird erfindungsgemäß für eine besondere Ausführung vorgeschlagen, den ersten Kreisprozess mit einem zweiten zu koppeln, der nach dem Funktionsprinzip des Organic Rancine Cycle (ORC) arbeitet. Es hat sich herausgestellt, dass dafür ein Verfahren nach dem Kalina-Prozess besonders geeignet ist.
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Wenn die gewonnene technische Arbeit von einem oder mehreren Generatoren in elektrische Energie umgewandelt wird, lässt sich ein elektrisches Kraftwerk mit besonders hohem Wirkungsgrad realisieren.
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Dabei kann ein erster Generator über die Turbine des ersten Kreislaufs und ein zweiter Generator über die Turbine des zweiten Kreislaufs angetrieben werden.
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Es hat sich gezeigt, dass die Effizienz eines solchen elektrischen Kraftwerks weiter verbessert werden kann, wenn die elektrische Energie zumindest eines dieser Generatoren spannungsmäßig wenig oder gar nicht hochtransformiert wird sondern für die elektrische Versorgung des Kraftwerks und/oder seiner Umgebung dient. Dadurch kann also auch vermieden werden, dass von dem Kraftwerk selbst erzielte Energie kostspielig heruntertransformiert werden muss, um den Eigenbedarf zu decken.
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Die Erfindung sowie weitere Vorteile davon werden im Folgenden anhand von bevorzugten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Dabei zeigen:
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1 eine Anlage zur Stromerzeugung nach dem Clausius-Rankine Zyklus
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2 eine Anlage wie in 1 mit zusätzlicher Gasturbine und Gasgenerator
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3 eine Anlage zur Stromerzeugung mit zusätzlichem Kalina-Prozess.
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1 ist eine schematische Darstellung einer an sich bekannten Anlage zur Stromerzeugung, die nach dem Clausius-Rankine Dampfkreisprozess arbeitet. Dafür wird einem Brennkessel 10 an einem ersten Einlass A ein Brennstoffgemisch und an einem zweiten Einlass B Wasser zugeführt. Das Wasser wird in dem Brennkessel 10 stark erhitzt, so dass stark überhitzter Wasserdampf entsteht, der ein hohes Druckniveau hat. Dieser wird einer Turbine 12 zugeführt. Darin wird der Wasserdampf entspannt, so dass dessen Druck auf ein niedrigeres Niveau absinkt. Dabei wird Arbeit frei, die in der Turbine 12 enthaltene Turbinenblätter in Rotation versetzt, wodurch über eine Welle 14 ein Generator 16 angetrieben wird, der elektrischen Strom erzeugt und diesen an einem Punkt C abgibt. Der Strom kann weiter verarbeitet werden, beispielsweise indem er hochtransformiert und in eine Überlandleitung eingespeist wird.
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Der Dampf, der üblicherweise eine Temperatur von ca. 200 Grad Celsius hat, wird anschließend einem Kondensator 18 zugeführt, wo durch Abkühlung wieder Wasser entsteht, das mittels einer Pumpe 20 dem Einlass B zugeführt wird. Der Kondensator 18 ist außerdem mit einem Kühlkreislauf 22 verbunden, um die Abkühlung des Dampfs zu beschleunigen.
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2 zeigt prinzipiell die gleiche Anlage wie in 1. Jedoch ist der Brennkessel 10 so gestaltet, dass über einen Einlass an Punkt D Luft eingeleitet wird, diese im Bereich seines Brennraumes erhitzt wird und eine Gasturbine 112 antreibt. Diese ist über eine zweite Welle 114 mit einem Gasgenerator 116 verbunden, der an einem Punkt E entsprechende elektrische Leistung abgibt. Alternativ kann auf den Gasgenerator 116 verzichtet werden, wenn die beiden Turbinen 12, 112 über Koppelelemente, wie eine Synchronkupplung, einen gemeinsamen Generator antreiben.
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3 zeigt ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Anlage. Dabei sind oberhalb der gestrichelten Linie F einige Komponenten der Anlage vorhanden, die nach dem Clausius-Rankine Zyklus arbeitet, wie insbesondere der Brennkessel 10, die Turbine 12 und der Generator 16. Der aus der Turbine 12 heraustretende Dampf wird jedoch nicht einem Kondensator zugeführt, sondern einem Verdampfer 30, in dem der Dampf einen Großteil seiner Wärme abgibt und dadurch zu Wasser kondensiert. Stromabwärts folgt ein Vorwärmer 31, wo das kondensierte Wasser weitere Wärme abgibt. Von dort aus gelangt das Wasser über die Pumpe 20 zu dem Wassereinlass B des Brennkessels 10. In diesem Ausführungsbeispiel ist zusätzlich noch ein erster Kondensator 32 vorgesehen, der hier außerdem an einen ersten Kühlwasserkreislauf 33 angeschlossen ist. Dadurch wird sicher gestellt, dass von dem Vorwärmer 31 Wasser mit einer maximalen Temperatur zu dem Brennkessel 10 gelangt. Auf den Kühlkreislauf 33 und/oder auf den Kondensator 32 kann dann verzichtet werden, wenn die übrige Anlage derartig ausgelegt ist, dass eine vorgegebene Wassertemperatur nicht überschritten wird. Dabei ist insbesondere sicher zu stellen, dass bei Einlass B von Brennkessel 10 flüssiges Wasser und kein Wasserdampf ankommt.
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Der Verdampfer 30 und der Vorwärmer 31 sind Teil einer Anlage, die nach dem Kalina-Prozess arbeitet und deren wesentliche Komponenten unterhalb der gestrichelten Linie F symbolisch gezeigt sind. Der Kalina-Prozess ist ein besonderer ORC-(Organic Rankine Cycle-)Prozess, mit Ammoniak (NH3) bzw. einer Wasser-Ammoniak-Lösung als Arbeitsmittel. Dieses durchläuft folgenden Kreislauf.
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Es verlässt den Verdampfer 30 bei Punkt G und gelangt stromabwärts zu einem Separator 34, in dem es aufgespalten wird in Ammoniak reichen Dampf bei Punkt H und eine an Ammoniak verarmte wässrige Lösung (Flüssigphase) bei Punkt I. Der Ammoniak reiche Dampf wird über eine Turbine 36 geleitet und treibt diese sowie einen damit verbundenen Generator 38 an, der elektrische Leistung am Punkt J abgibt. Die wässrige Lösung durchströmt einen Hochtemperatur-Rekuperator 40 und eine nicht dargestellte Drossel zu einem Punkt K, wo die beiden Teilströme – Ammoniak reicher Dampf und wässrige Lösung – wieder vereinigt werden und über einen Niedertemperatur-Rekuperator 42 zu einem zweiten Kondensator 44 fließen, der in diesem Ausführungsbeispiel außerdem an einen zweiten Kühlwasserkreislauf 46 angeschlossen ist.
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Nach Durchlaufen des zweiten Kondensators 44 wird das Arbeitsmittel durch die Pumpe 48 mit erhöhtem Druck dem Niedertemperatur-Rekuperator 42 an Punkt L zugeführt. Es durchströmt nacheinander die als Wärmetauscher arbeitenden Rekuperatoren 42 und 40 und wird dabei durch Arbeitsmittel höherer Temperatur, also vor Durchlaufen des Kondensators 44, vorgewärmt. Eine weitere Vorwärmung findet statt in dem Vorwärmer 31. In dem Verdampfer 30 mit dem nachfolgendem Separator 34 erfolgt die Aufspaltung des flüssigen Arbeitsmittels in Ammoniak reichen Dampf und der an Ammoniak verarmten wässrigen Lösung. Dabei werden der Verdampfer 30 und der Vorwärmer 31 erhitzt durch das Arbeitsmittel des Clausius-Rankine Prozesses, das von der Turbine 12 zu der Brennkammer 10 strömt.
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Die in 3 gezeigte Gesamtanlage besteht also aus zwei Teilanlagen, nämlich einer ersten – oberhalb der Linie F gezeigten – Teilanlage 1, die nach dem Clausius-Rankine Zyklus arbeitet und einer zweiten – unterhalb der Linie F gezeigten – Teilanlage 2, die Restwärme der ersten Teilanlage nutzt und nach dem Kalina Zyklus funktioniert. Durch die gezeigte Kombination der beiden Teilanlagen 1, 2 wird die Wärme des nach Durchlaufen der Turbine 12 vorhandenen Wasserdampfs für eine weitere Gewinnung elektrischer Energie genutzt. Bei alleiniger Verwendung des Clausius-Rankine Zyklus ist dieser heiße Wasserdampf eher störend, da er nicht zum Antrieb einer weiteren Turbine verwendet werden kann.
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Die in 3 gezeigte erfindungsgemäße Ausführung ist nur beispielhaft und kann in verschiedener Weise abgewandelt werden, wie beispielsweise durch folgende Maßnahmen:
- – Für die erste Teilanlage 1 können auch Mittel verwendet werden, die andere Kreisprozesse durchführen, wie den Joule-Brayton-, Otto-, Diesel- und/oder Stirling-Prozess.
- – Für die erste Teilanlage 1 können auch Mittel verwendet werden, die nach einem ORC (Organic Rancine Cycle) Verfahren arbeiten, wobei die Temperatur des Betriebsmittels, das von der Turbine 12 an den Verdampfer 30 abgegeben wird, höher ist als die Temperatur desjenigen Betriebsmittels, das der Verdampfer 30 an den Separator 34 abgibt.
- – Die erste Teilanlage 1 kann eine Gasturbine sein, beispielsweise mit Heat Recover Steam Generator (HRSG). Dabei kann anstelle des Brennkessels 10 eine Brennkammer vorgesehen sein, die als Ringbrenner ausgebildet ist. Die zweite Teilanlage 2 wird dabei nach dem HRSG-Verdampfer zur Nutzung des Gasturbinenabgases und/oder im Kondensator des HRSG-Kreises eingesetzt.
- – Für die zweite Teilanlage 2 können auch Mittel verwendet werden, die nach anderen Arbeitsverfahren arbeiten, wie beispielsweise dem allgemeinen ORC Verfahren. Diese können mit üblichen Kältemitteln als Arbeitsmittel betrieben werden, wie beispielsweise Perfluoropentan (C5F12; PF 5050), Pentan (C5H12), Ammoniak (NH3), R123 (CHCl2CF3). Entscheidend für die Verfahren der zweiten Teilanlage 2 ist, dass sie thermisch gespeist werden können mit Temperaturen und/oder Druck, die bei dem Arbeitsmittel der ersten Teilanlage 1 noch vorhanden sind, nachdem es die Turbine 12 angetrieben und verlassen hat.
- – Auf den Vorwärmer 31 kann verzichtet werden, insbesondere dann, wenn der Verdampfer 30 besonders effektiv arbeitet.
- – Die erste Teilanlage 1 kann ergänzt werden um die Gasturbine 112 und den Gasgenerator 116, ähnlich wie in 2 dargestellt.
- – Die von den Generatoren 16, 116, und/oder 38 erzeugte elektrische Leistung kann in verschiedenster Weise verwendet werden, wie zur
a) Einspeisung in Überlandleitungen,
b) Versorgung der Anlagen 1, 2 bzw. eines zugehörigen Kraftwerks und/oder
c) Versorgung von sonstigen Verbrauchern in der Umgebung der Anlagen 1, 2.
Bei der Nutzung gemäß a) ist eine zugehörige Hochtransformation der elektrischen Spannung empfehlenswert; bei den Nutzungsmöglichkeiten nach b) und c) kann diese Transformation geringer ausfallen oder es kann unter Umständen ganz darauf verzichtet werden.
- – Der Kühlkreislauf 46 kann entfallen, wenn das Mittel 44 eine ausreichende Kühlung des Arbeitsmittels gewährleistet.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Erste Teilanlage
- 2
- Zweite Teilanlage
- 10
- Brennkessel
- 12
- Turbine
- 14
- Welle
- 16
- Generator
- 18
- Kondensator
- 20
- Pumpe
- 22
- Kühlkreislauf
- 30
- Verdampfer
- 31
- Vorwärmen
- 32
- Erster Kondensator
- 33
- Erster Kühlwasserkreislauf
- 34
- Separator
- 36
- Turbine
- 38
- Generator
- 40
- HT-Rekuperator
- 42
- NT-Rekuperator
- 44
- Zweiter Kondensator
- 46
- Zweiter Kühlwasserkreislauf
- 48
- Pumpe
- 112
- Gasturbine
- 114
- Zweite Welle
- 116
- Gasgenerator
- A...L
- Verschiedene Punkte in den Anlagen
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Patentliteratur
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- US 2004/0182084 A1 [0005]
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- „Energietechnik”, Richard A. Zahoransky, Vieweg Verlag, 2004 [0002]
- „Geothermische Technologien”, Tagung Potsdam Februar 2008, VDI Berichte 2026, VDI Verlag 2008, Seite 179ff [0003]
- „Erdwärmenutzung”, Peter Loose, C. F. Müller Verlag, 2007 [0003]
