DE102012200892A1

DE102012200892A1 - Vorrichtung und Verfahren zum Erzeugen elektrischer Energie

Info

Publication number: DE102012200892A1
Application number: DE102012200892A
Authority: DE
Inventors: Vladimir Danov; Jochen Schäfer
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2012-01-23
Filing date: 2012-01-23
Publication date: 2013-07-25
Also published as: WO2013110375A2; WO2013110375A3

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Erzeugen elektrischer Energie aus einer Wärmequelle, insbesondere aus der Abwärme einer Anlage, mit einem ersten Wärmetauscher, in welchem ein Prozessmedium, insbesondere CO2, der Vorrichtung mittels der Wärmequelle erwärmbar ist, wobei das erwärmte Prozessmedium einer Turbine zuführbar und nach Passage durch die Turbine mittels eines zweiten Wärmetauschers, dessen Ausgang über einen Verdichter mit einem Eingang des ersten Wärmetauschers gekoppelt ist, auf eine vorgegebene Temperatur abkühlbar ist, wobei der zweite Wärmetauscher luftgekühlt ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Erzeugen elektrischer Energie aus einer Wärmquelle nach dem Oberbegriff von Patentanspruch 1 sowie ein Verfahren zum Rückgewinnen von mechanischer Energie aus einer Wärmequelle nach dem Oberbegriff von Patentanspruch 7.
Bei vielen Verfahren der Energiegewinnung, beispielsweise der Geothermie, der Kraft-Wärme-Kopplung, der Solarthermie oder dergleichen, steht nur ein sehr geringer ausnutzbarer Temperaturgradient zur Verfügung. Die Verwendung üblicher Kreisprozesse auf Wasserdampfbasis ist bei derartigen Wärmequellen daher äußerst ineffizient. Eine alternative hierzu stellt der sogenannte organische Rankine-Zyklus (Organic Rankine Cycle ORC) dar. Auch derartige Systeme funktionieren nach dem Prinzip eines Dampfkreislaufs, wobei anstelle von Wasser organische Medien verwendet werden, die einen deutlich tieferen Siedepunkt aufweisen. Das organische Arbeitsmedium wird dabei in einem Verdampfer isobar Energie in Form von Wärme zugeführt, wobei insbesondere die Prozesswärme oder Abwärme vorgeschalteter Maschinen als Wärmequelle Anwendung findet. Der entstehende Sattdampf wird in der Folge idealerweise isentrop über eine Turbine entspannt, wobei die gewünschte mechanische Arbeit geleistet wird. In einem Kondensator wird das Arbeitsmittel wieder vollständig kondensiert und mittels eines Verdichters, insbesondere einer Pumpe, wieder zum Verdampfer rückgeführt.
Nachteilig bei diesem Prozess ist, dass eine Vielzahl der verwendeten Arbeitsmittel, wie beispielsweise Butan oder Pentan brennbar sind. Alternativ zu den genannten brennbaren Kohlenwasserstoffen finden auch fluorierte und/oder chlorierte Kohlenwasserstoffe Anwendung, die aufgrund ihrer ozonschädigenden und treibhausaktiven Wirkung jedoch oftmals ökologisch bedenklich sind.
Eine Alternative hierzu ist die Verwendung von Kohlendioxid als Arbeitsmedium im Rahmen eines organischen Rankine-Zyklus. CO₂ hat den Vorteil, dass es nicht brennbar und nicht toxisch ist. Ein Problem in der Verwendung von Kohlendioxid liegt jedoch in dessen relativ niedrigem kritischen Punkt von 31 °C. Um einen zweiphasigen Zyklus gewährleisten zu können, muss daher sichergestellt werden, dass die Rückkühlung das Kohlendioxid zuverlässig auf eine Temperatur von weniger als 31 °C bringt. Üblicherweise kann dies durch Wasserkühlung bewerkstelligt werden, was jedoch die Anwendbarkeit des Kreisprozesses in vielen Anwendungsfällen einschränkt.
Der vorliegenden Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung nach dem Oberbegriff von Patentanspruch 1 sowie ein Verfahren nach dem Oberbegriff von Patentanspruch 7 bereitzustellen, welche einen besonders vielseitigen Einsatz eines organischen Rankine-Zyklus auf Kohlendioxidbasis ermöglichen.
Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 sowie durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 7 gelöst.
Eine derartige Vorrichtung zum Erzeugen elektrischer Energie aus einer Wärmequelle, insbesondere aus der Abwärme einer Anlage, umfasst einen ersten Wärmetauscher, in welchem ein Prozessmedium, insbesondere CO₂, in der Vorrichtung mittels der Wärmequelle erwärmbar ist. Das erwärmte Prozessmedium ist in der Folge einer Turbine zuführbar, in welcher die aufgenommene Wärmeenergie durch Entspannung des Prozessmediums in mechanische Energie- und durch Kopplung mit einem Generator schließlich in elektrische Energie umwandelbar ist. Nach Passage durch die Turbine ist das Prozessmedium mittels eines zweiten Wärmetauschers, dessen Ausgang über einen Verdichter mit einem Eingang des ersten Wärmetausches gekoppelt ist, um so den Kreislauf zu schließen, auf eine vorgegebene Temperatur abkühlbar. Erfindungsgemäß ist dabei vorgesehen, dass der zweite Wärmetauscher luftgekühlt ist. Die Luftkühlung ermöglicht die Verwendung der Vorrichtung auch unter Bedingungen, in denen nicht hinreichendes Frischwasser zur Flüssigkühlung zur Verfügung steht und ist gleichzeitig aparativ besonders einfach zu gestalten, sodass eine derartige Vorrichtung besonders kostengünstig und einfach in der Herstellung und im Betrieb ist.
Soll eine derartige Vorrichtung unter Bedingungen betrieben werden, unter welchen eine hinreichende Abkühlung des Prozessmediums durch ausschließliche Luftkühlung nicht möglich ist, so ist es möglich, den Ausgang des zweiten Wärmetauschers über einen dritten Wärmetauscher mit dem Verdichter zu koppeln, um so eine stärkere Kühlung zu erreichen. Dies ist insbesondere dann zweckmäßig, wenn die Vorrichtung nach Art eines zweiphasigen organischen Rankine-Zyklus betrieben werden soll. Wird als Prozessmedium hierbei CO₂ verwendet, so muss sichergestellt werden, dass das Prozessmedium nach Austritt aus der Turbine unter den kritischen Punkt, also unter 31 °C, abgekühlt wird. Dies kann durch den dritten Wärmetauscher zuverlässig sichergestellt werden.
Es ist dabei besonders zweckmäßig, wenn der dritte Wärmetauscher mittels einer Absorption- und/oder Adsorptionskältemaschine kühlbar ist. Eine derartige Kältemaschine kann zweckmäßigerweise die Wärmequelle der Vorrichtung selbst als Energiequelle nutzen. Hierzu wird die Heißzeit der Absorptions- und/oder Adsorptionskältemaschine thermisch mit dieser gekoppelt, so dass nur minimale Mengen an externer Energie, beispielsweise in Form von Elektrizität, zugeführt werden müssen. Die Absorptionskälteanlage selbst kann mittels Luft rückgekühlt werden.
Zum Verdichten des Prozessmediums kann ferner eine Pumpe oder ein mit der Turbine gekoppelter Kompressor verwendet werden, wobei sich letzteres insbesondere dann anbietet, wenn die Vorrichtung ohne Phasenübergang nach Art eines Brayton-Zyklus betrieben werden soll.
Im letzteren Fall muss sichergestellt werden, das die Abkühlung des Prozessmediums nach Turbinenaustritt auf eine Temperatur oberhalb des kritischen Punktes von CO₂ erfolgt, um eine Verflüssigung zu vermeiden. Hierzu kann der zweite Wärmetauscher ebenfalls mit der Wärmequelle der Vorrichtung gekoppelt werden, so dass die Kühlluft des luftgekühlten zweiten Wärmetauschers soweit vorgewärmt wird, dass eine Verflüssigung des Kohlendioxids vermieden werden kann.
Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Rückgewinnen von mechanischer Energie aus einer Wärmequelle, insbesondere aus einem Abwärmstrom einer Anlage, bei welchem ein Prozessmedium, insbesondere CO₂, mittels eines ersten Wärmetauschers durch die Wärmequelle erhitzt und zur Gewinnung der mechanischen Energie durch eine Turbine geleitet wird. Nach Passage durch die Turbine wird das Prozessmedium durch einen zweiten Wärmetauscher abgekühlt, anschließend verdichtet und dann zum ersten Wärmetauscher zurückgeführt. Erfindungsgemäß ist hierbei vorgesehen, dass der zweite Wärmetauscher luftgekühlt ist. Wie bereits anhand der erfindungsgemäßen Vorrichtung erläutert, ist so auf besonders einfache und kostengünstige Weise die Energiegewinnung aus Abwärmeströmen oder anderen Wärmequellen, die nur einen geringen thermischen Gradienten zur Verfügung stellen, möglich, auch wenn keine hinreichenden Mengen von Frischwasser zur Wasserkühlung zur Verfügung stehen.
Wie bereits erläutert kann das Prozessmedium nach Austritt aus dem zweiten Wärmetauschers mittels eines dritten Wärmetauschers weiter abgekühlt werden, um sicherzustellen, dass, beispielsweise bei der Verwendung von CO₂ als Prozessmedium, der kritische Punkt unterschritten und das Prozessmedium verflüssigt wird. Dieser dritte Wärmetauscher wird dabei vorzugsweise mittels einer Absorptions- und/oder Adsorptionskältemaschine gekühlt, deren Heißseite mit der Wärmequelle gekoppelt ist, um so den gewünschten Kühleffekt mit minimaler Zufuhr von externer elektrischer Energie zur Verfügung zu stellen.
Im Rahmen des geschilderten Verfahrens ist es sowohl möglich, das Prozessmedium gemäß einem Brayton- oder gemäß einem Rankine-Zyklus zu führen. Beim Brayton-Zyklus, bei welchem kein Phasenübergang stattfindet, muss dabei sichergestellt werden, das die Abkühlung nicht unter den kritischen Punkt des Prozessmediums führt, da in diesem Fall ja eine Verflüssigung vermieden werden muss. Dies ist durch eine Vorwärmung der Kühlluft des zweiten Wärmetauschers mittels der Wärmequelle auf eine vorgegebene Temperatur möglich, wobei diese Vorwärmung gegebenenfalls auch nur optional durchgeführt werden kann, beispielsweise wenn die Umgebungstemperaturen besonders tief liegen und daher eine Verflüssigung des Mediums droht.
Wird das Verfahren dagegen nach Art eines Rankine-Zyklus durchgeführt, so ist ein Phasenübergang nach der Turbinenpassage erwünscht, sodass hier die Abkühlung unterhalb den kritischen Punkt führen muss. Hier ist die bereits geschilderte Verwendung von Absorptions- und/oder Adsorptionskältemaschinen zweckmäßig.
Im Folgenden wird die Erfindung mit ihrer Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:
1 eine schematische Darstellung zur Restwärmenutzung auf Basis eines organischen Rankine-Zyklus nach dem Stand der Technik,
2 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zur Restwärmenutzung mittels eines Brayton-Zyklus nach dem Stand der Technik,
3 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Durchführung eines CO₂-basierten organischen Rankine-Zyklus und
4 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Durchführung eines Brayton-Zyklus ohne Phasenübergang.
Eine Vorrichtung 10 zur Restwärmenutzung nach dem Stand der Technik umfasst, wie in 1 gezeigt, einen ersten Wärmetauscher 12, dem ein heißes Medium über eine Leitung 14 zugeführt wird. Die Leitung 14 kann beispielsweise eine Abgasleitung eines Blockheizkraftwerks oder dergleichen sein. Im Wärmetauscher 12 wird durch die Wärme des Mediums in der Leitung 14 ein organisches Prozessmedium, beispielsweise CO₂, erwärmt und durch eine weitere Leitung 16 einer Turbine 18 zugeführt, in welcher sich das Prozessmedium entspannen kann und hierdurch mechanische Arbeit leistet, die wiederum genutzt wird um einen Generator 20 anzutreiben.
Nach Passage durch die in Turbine 18 wird in das Prozessmedium über eine Leitung 22 einen weiteren Wärmetauscher 24 zugeführt, in welchen es wieder abgekühlt wird. Nach Austritt aus dem weiteren Wärmetauscher 24 wird das Prozessmedium durch eine Pumpe 26 über eine Leitung 28 wieder zum ersten Wärmetauscher 12 gefördert. Die Vorrichtung 10 wird dabei nach Art eines Rankine-Zyklus betrieben, d. h. im Verdampfer 12 sowie im Wärmetauscher 24 findet jeweils ein Phasenübergang von flüssig nach gasförmig bzw. umgekehrt statt.
Soll als Prozessmedium das besonders einfach zu handhabende und umweltfreundlich zu verwendende Kohlendioxid verwendet werden, so muss sichergestellt werden, das im zweiten Wärmetauscher 24 eine Abkühlung bis zu einer Temperatur unterhalb des kritischen Punktes vom Kohlendioxid, also 31 °C, stattfindet, sodass die gewünschte Verflüssigung erfolgt. Dies wird bei Vorrichtungen 10 nach dem Stand der Technik durch aufwendige Wasserkühlung erzielt.
Alternativ hierzu kann eine derartige Vorrichtung 10, wie in 2 gezeigt, auch ohne Phasenübergang nach Art eines Brayton-Zyklus verwendet werden. Auch hier wird einem ersten Wärmetauscher bzw. Verdampfer 12 über eine Leitung 14 ein heißes Medium zugeführt, welches wiederum das Prozessmedium der Vorrichtung 10 erwärmt. Über die Leitung 16 strömt auch hier das Prozessmedium zur Turbine 18 und treibt damit den Generator 20. Nach Austritt aus der Turbine wird über die Leitung 22 und den zweiten Wärmetauscher 24 wieder eine Abkühlung des Prozessmediums erreicht, welches in der Folge durch einen mit der Turbine 18 mechanisch gekoppelten Verdichter 30 wieder zum ersten Wärmetauscher 12 gefördert wird. Bei der Verwendung der Vorrichtung 10 zur Durchführung eines Brayton-Zyklus ist dabei sicherzustellen, das die Abkühlung im zweiten Wärmetauscher 24 nicht unter den kritischen Punkt des Prozessmediums führt, da eine Verflüssigung hier ja nicht erwünscht ist.
Eine verbesserte Temperaturkontrolle und damit eine einfachere Durchführung des Verfahrens ist mit den in 3 und 4 gezeigten Ausführungsbeispielen erfindungsgemäßer Vorrichtungen 32 möglich. Wie aus dem Stand der Technik bekannt, wird in der in 3 gezeigten Vorrichtung 32 zur Durchführung eines Rankine-Zyklus heißes Medium, beispielsweise ein Abgas über eine Leitung 14 zu einem ersten Wärmetauscher 12 geführt, in welcher es das Prozessmedium der Vorrichtung 32 erhitzt. Auch hier strömt das Prozessmedium vom ersten Wärmetauscher 12 über eine Leitung 16 zur Turbine 18, die wiederum einen Generator 20 treibt, und anschließend über eine Leitung 22 zu einen zweiten Wärmetauscher 34. Im Gegensatz zum Stand der Technik ist der zweite Wärmetauscher 34 luftgekühlt, wobei die Kühlluft durch eine Leitung 36 zugeführt und durch eine Leitung 38 wieder abgeführt wird. Das aus dem zweiten Wärmetauscher 34 austretende Prozessmedium wird in der Folge durch einen dritten Wärmetauscher 40 weiter abgekühlt. Der dritte Wärmetauscher 40 ist wassergekühlt, das Kühlwasser wird jedoch in einem geschlossenen Kreislauf geführt, so dass kein Frischwasser benötigt wird. Aus dem dritten Wärmetauscher 40 austretendes Frischwasser wird über eine Leitung 42 zu einer Absorptionskälteanlage 44 geführt, welche ihre Energie aus der Wärme des durch die Leitung 14 strömenden Mediums bezieht. Hierzu wird ein Teilstrom des Mediums durch eine Leitung 46 zur Absorptionskältemaschine 44 abgezweigt. Eine Rückkühlung der Absorptionskältemaschine 44 erfolgt durch Luftzufuhrleitungen 48 und Luftabführleitungen 50. Das in der Absorptionskältemaschine 44 abgekühlte Kühlwasser wird dann mittels einer Pumpe 52 über die Leitung 54 zum dritten Wärmetauscher 40 zurückgeführt.
Durch die Verwendung des dritten Wärmetauschers 40 kann sichergestellt werden, dass auch bei hohen Außentemperaturen das Prozessmedium der Vorrichtung 32 zuverlässig unter seinen kritischen Punkt gekühlt wird. Das derart verflüssigte Prozessmedium wird dann mittels der Pumpe 26 mit Leitung 28 wieder zum ersten Wärmetauscher 12 gefördert.
4 zeigt schließlich eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung 32, die zur Durchführung eines Brayton-Zyklus ohne Phasenübergang geeignet ist. Auch hier wird, wie aus dem Stand der Technik bekannt, heißes Medium 14 durch den ersten Wärmetauscher 12 geleitet, um das Prozessmedium zu erwärmen, welches anschließend über eine Leitung 16 zur Turbine 18 geführt wird, die den Generator 20 treibt. Über die Leitung 22 strömt das Prozessmedium zum luftgekühlten Wärmetauscher 34, in welchen es abgekühlt wird und anschließend um mit der Turbine 18 gekoppelten Verdichter 30 über die Leitung 28 zurück zum ersten Wärmetauscher 12 geführt wird.
Bei der Durchführung eines Brayton-Zyklus soll gerade kein Phasenübergang stattfinden. Es ist daher zu beachten, dass im zweiten Wärmetauscher 34 keine Abkühlung unter den kritischen Punkt des Prozessmediums erfolgen darf. Bei besonders tiefen Außentemperaturen ist es daher zweckmäßig, die dem zweiten Wärmetauscher 34 über die Leitung 36 zugeführte Kühlluft vorzuwärmen. Hierzu wird ein Teil des Mediums aus der Leitung 14 über eine Leitung 56 abgezweigt und durch einen weiteren Wärmetauscher 58 geleitet, welcher die Kühlluft für den zweiten Wärmetauscher 34 vorwärmt. Durch eine Leitung 60 kann das Medium dann entweder zum ersten Wärmetauscher 12 zurückgeführt oder in die Umwelt entlassen werden. Durch geeignete Steuerung die in dem Wärmetauscher 58 zugeführte Menge an Medium kann in Abhängigkeit von der Medientemperatur und der Temperatur der Umgebungsluft die Temperatur des Prozessmediums nach Durchtritt durch den zweiten Wärmetauscher 34 exakt eingestellt werden, so dass ein unterschreiten des kritischen Punktes zuverlässig vermieden wird.

Claims

Vorrichtung (32) zum Erzeugen elektrischer Energie aus einer Wärmequelle, insbesondere aus der Abwärme einer Anlage, mit einem ersten Wärmetauscher (12), in welchem ein Prozessmedium, insbesondere CO₂, der Vorrichtung mittels der Wärmequelle erwärmbar ist, wobei das erwärmte Prozessmedium einer Turbine (18) zuführbar und nach Passage durch die Turbine (18) mittels eines zweiten Wärmetauschers, dessen Ausgang über einen Verdichter mit einem Eingang des ersten Wärmetauschers (12) gekoppelt ist, auf eine vorgegebene Temperatur abkühlbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Wärmetauscher (34) luftgekühlt ist.
Vorrichtung (32) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Ausgang des zweiten Wärmetauschers (34) über einen dritten Wärmetauscher (40) mit dem Verdichter (26, 30) gekoppelt ist.
Vorrichtung (32) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der dritte Wärmetauscher (40) mittels einer Adsorptions- und/oder Absorptionskältemaschine (44) kühlbar ist.
Vorrichtung (32) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass eine Heißseite der Adsorptions- und/oder Absorptionskältemaschine (44) mit der Wärmequelle thermisch gekoppelt ist.
Vorrichtung (32) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Verdichter (16, 30) eine Pumpe (26) oder ein mit der Turbine (18) gekoppelter Kompressor (30) ist.
Vorrichtung (32) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlluft des ersten Wärmetauschers (12) mittels der Wärmequelle auf einen vorgegebenen Wert vorwärmbar ist.
Verfahren zum Rückgewinnen von mechanischer Energie aus einer Wärmequelle, insbesondere aus einem Abwärmestrom einer Anlage, bei welchem ein Prozessmedium, insbesondere CO₂, mittels eines ersten Wärmetauschers (12) durch die Wärmequelle erhitzt und zur Gewinnung der mechanischen Energie durch eine Turbine (18) geleitet wird, wobei nach Passage durch die Turbine (18) das Prozessmedium durch einen zweiten Wärmetauscher (34) abgekühlt, anschließend verdichtet und zum ersten Wärmetauscher (12) zurückgeführt wird, dadurch gekennzeichnet dass der zweite Wärmetauscher (34) luftgekühlt wird.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Prozessmedium nach Austritt aus dem zweiten Wärmetauscher (34) mittels eines dritten Wärmetauschers (40) weiter abgekühlt wird.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der dritte Wärmetauscher (40) mittels einer Absorptions- und/oder Adsorptionskältemaschine (44) gekühlt wird, deren Heißseite mit der Wärmequelle gekoppelt ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Prozessmedium gemäß einem Brayton- oder Rankine-Zyklus geführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlluft des zweiten Wärmetauschers (34) mittels der Wärmequelle auf eine vorgegebene Temperatur vorgewärmt wird.