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Die Erfindung betrifft eine Kraftwerksanordnung mit einem Niedertemperaturkraftwerk, mit Verdampferkreisprozess, mit einem mit einer Niedertemperaturwärmequelle thermisch korrespondierendem Verdampfermedium, einem vom Verdampfermedium betriebenen Turbine, gemäß Oberbegriff der Patentansprüche 1 und 10.
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Aus dem Stand der Technik sind Energieerzeugungsprozesse zur Niedertemperaturwärmenutzung bekannt. Hierzu gehören sogenannte ORC-Anlagen, die mit Verdampfungsmedien arbeiten, die bei 150°C bis hinunter zu 70°C verdampfen. So können auch Abwärmen, Prozessabwärmen von unter 100°C noch nachverstromt werden.
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Eine solche Einrichtung ist bspw aus der
DE 10 2008 005 978 bekannt. Dort wird aber lediglich der ORC(Organic-Rankine-Cycle)-Prozess unter Nutzung von Pentan als Verdampfermedium optimiert, durch diverse Rekuperationen.
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Grundsätzlich gilt für Kreisprozesse, dass der Temperaturunterscheid zwischen Verdampferseite und Kondensatorseite ganz wesentlich für den Wirkungsgrad einer Kreisprozessanlage ist. So kann eine moderne ORC-Anlage zumindest lauffähig sein bei einer Verdampfertemperatur von 70°C bis 100°C und einer Kondensatortemperatur von 30°C bis 40°C. Der dabei erwartbare Wirkungsgrad bei einer Temperaturdifferenz von nur 40 Kelvin ist klein; erfahrungsgemäß bei unter 10% bei ORC-Anlagen.
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Ein erheblich hoher Anteil an verfügbarer Abwärme liegt jedoch im Bereich von 70°C und 90°C.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, Niedertemperaturabwärme energetisch noch effizienter nutzbar zu machen, und die verfügbaren verschiedenen Energieformen insbesondere aber nicht ausschließlich in der Gebäudeversorgung bereitszustellen.
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In der nicht vorveröffentlichten Patentanmeldung
DE 10 2011 108 970.9 wird ein Niedertemperaturkraftwerk beschrieben, welches mit einem entsprechenden Verdampfermedium bei einer Verdampfertemperatur von ca 70°C und bei einer Kondensationstemperatur von –56,6°C bei Verwendung von Kohlendioxid als Arbeits- bzw Verdampfermedium betrieben wird.
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Dabei erfolgt keine klassische Kondensation in einem Kondensator, sondern es erfolgt eine geregelte Druckentspannung mit einer erheblichen Volumenreduzierung durch Übergang in einen zumindest partiell flüssigen und partiell schneeförmigen also festen Zustand.
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Dabei erzielt man im Resultat einen Kreisprozess einer Kältemaschine, die mit dem Arbeitmedium eine Turbine und einen Generator betreibt. Dies wiederum hat zur Folge, dass beliebige Kältemittel, wie sie für Kältmaschinen bekannt sind, grundsätzlich hier zum Einsatz kommen können. Die Wahl von Kohlenstoffdioxid, auch als R-744 bekannt, ist aber von erheblichem Vorteil, da Kohlenstoffdioxid von allen anderen Kältemitteln zumindest die geringste klimaschädliche Wirkung hat. Ebenso wäre die Verwendung von Ammoniak (R-717) möglich, als auch die von klassischen Kältemitteln, wie nicht-halogenierte Kohlenwasserstoffe.
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Dieses Prinzip wird nunmehr erweitert, indem ein solches als Kältekraftwerk bezeichenbares Kraftwerk thermisch mich einem herkömmlichen Blockheizkraftwerk gekoppelt wird.
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Die erfindungsgemäße Kraftwerksanordnung besteht daher aus einem Niedertemperaturkraftwerk welches mit einem Verdampferkreisprozess arbeitet, mit einem mit einer Niedertemperaturwärmequelle thermisch korrespondierenden Verdampfermedium, einem vom Verdampfermedium betriebenen Turbine, wobei das Verdampfermedium ein im Kreisprozess zumindest verflüssigbares Gas ist, über welches die Turbine auf der Hochdruckseite anströmbar ist, und dass auf der Entspannungsseite der Turbine zusätzlich mindestens ein weiteres Druckreduziermittel angeordnet ist, und dass der Verdampfer des Niedertemperaturkraftwerkes mit dem niederkalorischen Abwärmestrom eines Blockheizkraftwerkes thermisch gekoppelt ist.
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Dabei wird gemäß der Erfindung die niederkalorische Abwärme eines Blockheizkraftwerkes dem Verdampfer des Kältekraftwerkes zugeführt. Dabei wird zum einen ein potentiell großer Wärmelieferant genau im niederkalorischen Abwärmebereich bereitgestellt, und zwar in einer Form, dass die Abwärme des BHKWs optimal für einen zweiten Energieprozess verwendet wird. Das dabei erfindungsgemäß resultierende Kombikraftwerk liefert dann nicht nur Wärme und Strom wie ein BHKW, sondern Wärme, Strom und KÄLTE. Es handelt sich also um die Kombination eines BHKWs mit einem Kältekraftwerk. Damit ergeben sich zwei Besonderheiten. Die erste Besonderheit ist, dass auch das Kältekraftwerk keine Kältemaschine ist, sondern eine sowohl „Kälte” als auch elektrische Energie liefernde Maschine ist. Die zweite Besonderheit ist nun, dass die Abwärme, oder besser die niederkalorische Abwärme, die bspw im Abgas steckt, und bei der Kraft-Wärme-Kopplung in der Regel nicht genutzte Abwärme als Energiequelle für den Verdampfer des besagten Kältekraftwerkes herangezogen wird, und energetisch in den Kraft-Kälte-Prozess eingespeist wird.
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Beim Einsatz in Großgebäuden ist dies von erheblichem Vorteil. Die Kälte, oder physikalsich richtiger, die Kühlungswärme wird dabei für die Klimaanlagen und Kühlaggregate eingesetzt.
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In Gebäuden werden bisher BHKWs der herkömmlichen Bauart eingesetzt, sowie zusätzlich Kältemaschinen. Letztere verbrauchen aber elektrische Energie.
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Durch die erfindungsgemäße Kopplung benötigt der Kälteprozess keine elektrische Energie, sondern erzeugt sogar elektrische Energie.
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Somit ergibt sich für ein erfindungsgemäßes Kombikraftwerk BHKW-BKKW (BKKW steht für Block-Kältekraftwerk) nun gegenüber einem normalen BHKW (Blockheizkraftwerk, Kraft-Wärme-Kopplung) eine höhere bereitgestellte elektrische Ausgangsleistung, sowie zusätzlich zur hochkalorischen Abwärme nun auch noch Kühlungswärme (Kälte).
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Damit steigt der effektive Wirkungsgrad deutlich über den bekannter BHKWs, wegen der effizienten niederkalorischen Abwärmenutzung, mit dem jetzt auch die „Kälteerzeugung” erheblich wirtschaftlicher wird.
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In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung ist angegeben, dass die Turbine des Niedertemperaturkraftwerkes und die Turbine des Blockheizkraftwerkes jeweils mit einem Generator gekoppelt sind, und dass die Ausgänge der beiden Generatoren mit einem gemeinsamen elektrischen Energieanschluss zur Einspeisung elektrischer Energie ins Netz verbunden sind.
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In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung ist angegeben, dass das Niedertemperaturkraftwerk und das Blockheizkraftwerk zu einer Kraftwerkseinheit gekoppelt sind, und mit einem gemeinsamen, elektrische Energie bereitstellenden Energieanschluss, mit einem gemeisamen, Wärme zu Verfügung stellenden Wärmeenergieanschluss, und einem Kühlungskälte zur Verfügung stellenden Kälteanschluss versehen ist.
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Weiterhin ist vorteilhaft ausgestaltet, dass das besagte Verdampfermedium Kohlendioxid ist.
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Alternativ können hierzu alle gängigen Kältemittel als Verdampfermedium eingesetzt werden.
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In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung ist angegeben, dass die niederkalorische Abwärme aus dem Abgasstrom des Blockheizkraftwerkes entnommen und dem Verdampfermedium (Kältemittel) zuführbar ist.
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In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung ist angegeben, dass die Übertragung der niederkalorischen Abwärme des Blockheizkraftwerkes über mindestens einen Wärmetauscher erfolgt. Dabei befindet sich ein erster Wärmetauscherabschnitt im Abgasraum oder Abgasstrom, und der zweite Wärmetauscherabschnitt liegt im Verdampferraum des besagten Kälte- oder Niedertemperaturkraftwerkse.
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Alternativ zum klassischen Wärmetauscher kann die Übertragung der niederkalorischen Abwärme des Blockheizkraftwerkes über ein Direktdurchleitungsrohr im Verdampfer erfolgen, durch dass die Abgase des Blockheizkraftwerkes hindurchleitbar sind, und diese Abwärme an das Verdampfermedium (Kältemittel) des Niedertemperaturkraftwerkes (Kältekraftwerkes) abgegeben. Mit einfachen Worten würde dann das Abgasrohr aus dem Verbrennungsraum des Blockheizkraftwerkes durch den Verdamper des Kälte- oder Niedertemperaturkraftwerkes verlaufen, ggfs mit etlichen Windungen, um dort die Wärme abgeben.
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In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung ist angegeben, dass die Direktdurchführungsleitung mit mindestens einem Kondensatabscheider versehen ist, wobei mindestens ein Kondensatabscheider am Ausgang der Direktdurchführungleitung aus dem Verdampfer angeordnet ist. So wird das durch die rasche Abkühlung ausfallende Kondensat abgezogen, so dass die Direktdurchführungsleitung frei bleibt.
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Im Hinblick auf ein Verfahren liegt die Erfindung darin, dass zum Betrieb einer Kraftwerksanordnung mit einem Niedertemperaturkraftwerk welches mit einem Verdampferkreisprozess arbeitet, mit einem mit einer Niedertemperaturwärmequelle thermisch korrespondierenden Verdampfermedium und einer vom Verdampfermedium betriebenen Turbine gearbeitet wird, wobei das Verdampfermedium ein im Kreisprozess zumindest verflüssigbares Gas ist, über welches die Turbine auf der Hochdruckseite anströmbar ist, und dass auf der Entspannungsseite der Turbine zusätzlich mindestens ein weiteres Druckreduziermittel angeordnet ist, und dass der Verdampfer des Niedertemperaturkraftwerkes mit dem niederkalorischen Abwärmestrom eines Blockheizkraftwerkes thermisch gekoppelt ist.
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Dabei ist weiterhin vorgesehen, dass die niederkalorische Abwärme aus dem Abgasstrom des Blockheizkraftwerkes entnommen und dem Verdampfermedium (Kältemittel) zugeführt wird, indem die Übertragung der niederkalorischen Abwärme des Blockheizkraftwerkes entweder über mindestens einen Wärmetauscher vorgenommen wird, oder über ein Durchleitungsrohr im Verdampfer eine Direktdurchleitung des Abgases des Blockheizkraftwerkes durch den Verdampfer mittles eines Wärmetauschers erfolgt.
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Die Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und nachfolgend näher erläutert.
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Es zeigt:
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1: Erfindungsgemäße thermische Kopplung eines Blockheizkraftwerkes mit einem Niedertemperatur- oder Kältekraftwerk
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2: Übersichtsdarstellung für ein Beispiel eines verwendeten Niedertemperatur- oder Kältekraftwerkes
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3: Abgaswärme
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1 zeigt die prinzipielle thermische Kopplung des Niedertemperatur- oder Kältekraftwerkes mit einem Blockheizkraftwerk. Prinzipiell ergibt sich somit ein „Kombikraftwerk” welches einen Entnahmepunkt 100 für elektrische Energie, einen Entnahmepunkt 200 für Heizwärme, und einen Entnahmepunkt für Kühl- oder Kälteenergie aufweist. Weiterhin wird der Verdampfer des „Blockkältekraftwerkes” BKKW (synonym für Niedertemperatur- oder Kältekraftwerk) aus der Abwärmeenergie des Blockheizkraftwerkes gespeist. Dabei wird nicht die abgegebene direkte Heizenergie des BHKW dafür verwendet, denn die soll ja am Entnahmepunkt 200 für Heizwärme nach wie vor anliegen, sondern es wird die ansonsten verlorene Niedertemperaturabwärme bspw aus dem Abgas für den Verdampfer des Kältekraftwerkes verwendet.
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Diese betreibt dann auf sehr effektive Weise den Verdampfer des Kältekraftwerkes BKKW. Dort liegt die angestrebte Verdampfungstemperatur, wie aus 2 zu entnehmen, bei etwa 70°C oder weniger.
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So wird erfolgt im dem BKKW ebenso eine Kraft-Wärme-Kopplung, die man in technischer Hinsicht als Kraft-Kälte-Kopplung bezeichnen könnte.
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Gegenüber einem normalen BHKW wird im erfindungsgemäßen Kombinationskraftwerk somit nicht nur Heizwärme und elektrische Energie, sondern zusätzlich noch „Kälte” geliefert. Diese dient bspw zum direkten Betrieb von Kühlungen, Kühlhäusern, Klimaanlagen etc. Außerdem wird der Wirkungsgrad auch bei der erzeugten elektrischen Energie noch ganz erheblich gesteigert, indem die Abwärme mit einem hohem Wirkungsgrad zusätzlich verstromt wird.
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2 zeigt nochmals eine Übersichtsdarstellung der Komponenten eines verwendeten Kälte- oder Niedertemperaturkraftwerkes. Aus einem Verdampfer 5, der auch zweistufig ausgeführt sein kann, verlässt das CO2 als Verdampfer- und Arbeitsmedium den Verdampfungsbereich bei einem Druck von ca 40 Bar und einer Medientemperatur von ca 70 bis 73°C. Vor Eintritt des Mediums in die Turbine 1 wird der Druck P1 und die Temperatur T1 des Mediums an der Messtelle 20 gemessen. Das Medium durchläuft die Turbine 1 oder Turbinenstufe (die Turbine 1 kann auch eine mehrstufige Turbine sein) und wandelt die thermodynamische Energie in mechanische Energie um. Mit der Turbine 1 ist mechanisch ein Generator 2 gekoppelt, der die Umwandlung in elektrische Energie vornimmt.
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Auf der Niederdruckseite der Turbine 1 ist eine weitere Messtelle für den Druck P2 und die Temperatur T2 im Medium. Dort liegt dann durch die erhebliche Entspannung des Mediums der Druck nur noch bei 6,5 Bar und folglich durch die erste Entspannung eine Temperatur von ca minus 50°C vor. Nachfolgend ist ein weiteres Druckreduzierungsmittel 10 in Form eines regelbaren Ventiles 11, oder einer regelbaren Düse, oder einer Druckentspannungvorrichtung vorgesehen. Dieses Ventil sorgt schließlich für eine weitere Entspannung bzw Druckreduzierung des Mediums bis zum Phasenpunkt, bei dem das Arbeitsmedium CO2 schon teilweise in die feste Phase als Schnee resublimiert. Bei einem Druck von 5,18 Bar kann diese zumindest teilweise Umwandlung in Schnee erfolgen. Der Druck P3 und die Temperatur T3 des Arbeitsmediums hinter diesem Entspannungsmittel ist über die Messtelle 22 messbar und liegt bei T3 = –55°C und P3 um etwa 5,18 Bar. Das Kondensat/Resublimat-Gemisch wird im Kondensat/Resublimat-Sammelbehälter 30 gesammelt. Dieses Kondensat/Sublimat-Sammelbehälter 30 ist weiterhin mit mindestens einer Injektionsstelle versehen, an der ein kleiner Teilstrom des Arbeitsmediums bei der Temperatur T4 und dem Druck P4 als Bypass aus der Hochdruckseite der nachfolgenden pneumatischen Pumpe 4 entnommen wird und dort über das Steuerventil 12 injiziert werden kann, um auf die dort vorliegenden Druck- und Temperaturverhältnisse einen derartigen Einfluss zu haben, dass man die Menge des ausfallenden Schnees beeinflussen kann, um das extrem abgekühlte und entspannte Arbeitsmedium vor einer vollständigen Überführung in den festen Zustand (Schnee) zu schützen. Dies weil der so resublimierte Schnee nur schwer in den Verdampfer zu führen wäre. Besser ist das Vorliegen als Schnee-Flüssigkeits-Gemisches.
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Mit dieser Injektionsstelle sind die Phasenübergänge so kontrollierbar, dass ein schlüssiger Kreisprozess des Arbeitsmediums vollziebar ist.
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Von dort wird das abgekühlte, teils schneeförmig resublimierte CO2 über einen Wärmetauscher im Verdampfer 5 wieder verdampft und wieder Richtung Turbine 1 geleitet. Die notwendige Verdampfungswärme liegt hier im Bereich von Niedertemperatur weit unterhalb von 70°C und nutzt damit einem Temperaturbereich niederkalorischer Wärme, noch viel effektiver, als bisher mit ORC-Medien betriebene Kreisprozesse.
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Hier können Prozesskühler 8 im Abwärmebereich als Quelle eingesetzt werden, die ein Wärmemedium zwischen Kühler 8 und Verdampfer 5 mittels einer Pumpe 7 zirkulieren lassen.
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Die oben genannte Pumpe 4 für das stark abgekühlte und zumindest teilsweise kondensierte CO2 ist vorteilhafterweise eine pneumatische Pumpe, wie sie im Kältemittelbereich üblich ist.
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Über eine Steuereinrichtung 3 werden sämtliche genannten Eingangsgrößen T1 bis T4 und P1 bis P4 eingelesen, und daraus Stellgrößen für das steuerbare Druckreduzierventil 10 und das steuerbare Bypassventil 12 ermittelt und generiert.
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Ein optionaler weiterer Bypass kann durch das Ventil 12 vorgesehen sein, welches in derselben Weise über die Steuereinrichtung steuerbar ist.
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Wesentlich ist hierbei, die extremen Änderungen des Drucks und des Volumens durch die genannten Phasenübergänge des CO2 zu nutzen.
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Im Ergebnis entsteht somit elektrischer Strom und „Kühl-Kälte” aus niederkalorischer Wärme oder Abwärme.
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Bei einem bekannten Blockheizkraftwerk wird Heizwärme und elektrische Energie erzeugt.
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Beim vorliegenden Gegenstand wird Kühlung sowie elektrische Energie erzeugt. Man könnte dies als eine Art Kraft-Kälte-Kopplung bezeichnen.
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Die Verdampfungsenergie wird dabei in erfindungsgemäßer Weise durch eine thermische Ankopplung bspw der Abgasabwärme des Blockheizkraftwerkes herangezogen, in der in 1 und/oder in der nachfolgend zu 3 beschriebenen Weise. Im oberen Bildteil zu 3 wird die Entnahme der Abgasabwärme aus dem Verbrennungsraum oder der Verbrennungsmaschine des Blochheizkraftwerkes mittels einer Wärmetauscheranordnung dargestellt. Die Abgasabwärme des Blockheizkraftwerkes wird dabei über Wärmetauscher dem Verdampfer des Kältekraftwerkes zugeführt und dort das kondensierte und/oder resublimierte Kältemittel verdampft oder wieder sublimiert und der Turbine zugeführt.
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Im unteren Bildteil ist schematisch dargestellt, dass der Abgasstrom durch ein Durchleitungsrohr oder Durchführung eines direkten Wärmetauscherrohres die thermische Energie auf das durchgeleitete Verdampfermedium, welches als Gemisch aus teilweise flüssiger und teilweise schneeförmiger Phase besteht, übertragen und die Verdampfung damit vollzogen wird.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Turbine
- 2
- Generator
- 3
- Steuereinheit
- 4
- Pumpe
- 5
- Verdampfer
- 6
- Kühler aus Primärprozess
- 7
- Pumpe
- 8
- Wärmeaufnehmer/Kühler
- 10
- Entspannungsmittel
- 11
- Steuerventil
- 12
- Steuerventil
- 20
- P, T-Messtelle
- 21
- P, T-Messtelle
- 22
- P, T-Messtelle
- 30
- Kondensat/Sublimat-Sammelbehältnis
- 50
- Blockheizkraftwerk
- 51
- Blockkältekraftwerk, Niedertemperaturkraftwerk
- 52
- Netzanschluss
- 53
- Abgasstrom BHKW
- 54
- Wärmetauscher
- 55
- Wärmetauscher
- 60
- Verdampfermedium im Kältekraftwerk, kondensiert, bzw resublimiert
- 61
- Verdampfermedium im Kältekraftwerk, verdampft, bzw sublimiert
- 100
- Entnahmepunkt elektrische Energie
- 200
- Entnahmepunkt Wärme, Heizwärme
- 300
- Entnahmepunkt Kälte
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102008005978 [0003]
- DE 102011108970 [0007]
