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ORC-Anlagen sind seit vielen Jahrzehnten bekannt. ORC-Anlagen (ORC = Organic Rankine Cycle) arbeiten ähnlich wie ein konventionelles Dampfkraftwerk, allerdings bei niedrigeren Temperaturen. Üblicherweise werden ORC-Anlagen mit Temperaturen von über 150°C betrieben, um die Stromerzeugung zu maximieren.
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Kleine und mittlere ORC-Anlagen, die mit Temperaturen von unter 100°C betrieben werden können, sind auf dem Markt noch nicht verfügbar.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zu Grunde, eine ORC-Anlage bereitzustellen, die mit Abwärmetemperaturen von weniger als 100°C betrieben werden kann. Außerdem soll die ORC-Anlage schon bei kleinen elektrischen Leistungen von wenigen Kilowatt, insbesondere von etwa 3,5 kW, wirtschaftlich betrieben werden können. Selbstverständlich soll der Bereich mittlerer Leistungen von 50 bis 500 kW auch bedient werden können.
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Weil aus thermodynamischen Gründen der Wirkungsgrad einer ORC-Anlage mit einer Arbeitstemperatur von unter 100°C sehr gering ist, kommt der Güte des Prozesses eine besondere Bedeutung zu. Außerdem ist es, auch wegen des relativ geringen Stromertrags notwendig, den konstruktiven Aufbau einfach, robust und kostengünstig zu gestalten.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß bei einer ORC-Anlage umfassend eine Turbine, einen Generator, eine Arbeitsmittelpumpe, einen Verdampfer und einen Kondensator dadurch gelöst, dass die ORC-Anlage über einen geschlossenen ersten Wärmeübertragerkreis mit einer Abwärmequelle verbunden ist, und dass die ORC-Anlage über einen geschlossenen zweiten Wärmeübertragerkreis mit einer Wärmesenke verbunden ist.
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Dies bedeutet, dass sowohl die „warme“ Seite als auch die „kalte“ Seite der erfindungsgemäßen ORC-Anlage über jeweils einen geschlossenen Wärmeübertragerkreis an die Wärmquelle beziehungsweise die Wärmesenke angeschlossen ist. Deshalb ist es möglich, die Betriebstemperaturen des Arbeitsmittels in der ORC-Anlage, das heißt insbesondere Druck und Temperatur des Arbeitsmittels nach dem Austritt aus dem Verdampfer beziehungsweise vor dem Eintritt in die Turbine sowie Druck und Temperatur des Arbeitsmittels am Turbinenaustritt sehr genau zu steuern. In Folge dessen kann die Turbine der erfindungsgemäßen ORC-Anlage sehr einfach aufgebaut werden und es ist trotzdem möglich, die Turbine stets in einem Betriebspunkt zu fahren, der eine optimale Energieausbeute ermöglicht. Außerdem ist sichergestellt, dass kein Tropfenschlag in der Turbine entsteht. Diese Maßnahmen haben zu einem gemessenen Gütegrad von über 60 % bei einer Turbinenleistung von etwa 3,5 kW elektrisch geführt.
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Der Gütegrad ist das Verhältnis zwischen der tatsächlich realisierten Wellenleistung der Turbine und der thermodynamisch erreichbaren (Ideal-)Leistung der Turbine. Der Gütegrad ist immer kleiner als 100 % beziehungsweise kleiner 1. Bei einer solch einfach aufgebauten ORC-Anlage ist ein Gütegrad von > 0,6 als sehr guter Wert anzusehen.
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In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung ist vorgesehen, dass die Turbine als einstufige Radialturbine mit einem Laufrad, mehreren feststehenden Leitschaufeln (Leitapparat) und einem Gehäuse, ausgebildet ist, dass die Leitschaufeln kreisringförmig in einer Ebene angeordnet sind und/oder dass die Leitschaufeln integraler Bestandteil des Leitapparat sind.
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Die feststehenden Leitschaufeln sind somit in einen Leitapparat integriert. Dadurch können die Leitschaufeln durch Fräsen aus einem Rohling in einer Aufspannung herausgearbeitet werden. Dadurch ergibt sich eine sehr einfache, robuste und fertigungstechnisch gut zu beherrschende Gestaltung des Leitapparats.
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Weil die Regelung der Dampfparameter (Temperatur und Druck) des Arbeitsmediums bei der erfindungsgemäßen ORC-Anlage sehr genau erfolgen kann, wird auch mit dieser einfachen und robusten Konstruktion einer einstufigen Radialturbine ein sehr guter Wirkungsgrad erzielt.
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Je nach Betriebspunkt beziehungsweise den sonstigen Randbedingungen können die Leitschaufeln gerade oder gekrümmt sein. Dies ist fertigungstechnisch unproblematisch, weil die Leitschaufeln in einer Ebene angeordnet sind.
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Es hat sich als vorteilhaft erwiesen, wenn die Arbeitsmittelpumpe, welche bevorzugt eine Schraubenspindelpumpe ist, einen drehzahlgeregelten Antrieb aufweist und die Drehzahl der Arbeitsmittelpumpe in Abhängigkeit der Temperatur und/oder des Drucks des Arbeitsmittels nach dem Verdampfer gesteuert wird. Dadurch ist es möglich, die Parameter des Arbeitsmittels (Temperatur und Druck) vor dem Eintritt in die Turbine immer in dem gewünschten Bereich zu halten, so dass die Turbine mit einem guten Wirkungsgrad arbeitet und es trotzdem nicht zur Kondensation des Arbeitsmittels in der Turbine kommt. Eine solche Kondensation würde in kürzester Zeit das Laufrad der Turbine zerstören.
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Um sicherzustellen, dass die Arbeitsmittelpumpe ausschließlich flüssiges Arbeitsmittel ansaugt, ist zwischen dem Kondensator und der Arbeitsmittelpumpe ein Sammler angeordnet. Dadurch werden möglicherweise in dem flüssigen Arbeitsmittel vorhandene Dampfblasen von dem flüssigen Arbeitsmittel getrennt.
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Als Generator hat sich ein permanent erregter Asynchrongenerator bewährt. Insbesondere hat dieser Generator eine Nenndrehzahl von über 40.000 Umdrehungen pro Minute, bevorzugt von 50.000 /min. Durch diese hohe Betriebsdrehzahl des Generators ist es möglich, erstens auf ein Getriebe zwischen Turbine und Generator zu verzichten und zweitens das Laufrad der Turbine fliegend auf einer Rotorwelle des Generators zu lagern. Dadurch werden der Wirkungsgrad verbessert und die Herstellungskosten verringert. Damit der Generator die hohen Betriebsdrehzahlen und die vom Laufrad ausgeübten Axialkräfte aufnehmen kann, hat es sich als vorteilhaft erwiesen, die Lagerung des Rotors mit Hilfe von Keramiklagern, die als Wälzlager oder Gleitlager ausgeführt sein können, zu realisieren. Solche Keramiklager haben Lebensdauern von weit über 50.000 Betriebsstunden. Dies bedeutet, dass der Generator und seine Lagerung mehr als fünf Jahre im Dauerbetrieb laufen können, bevor eine Revision der Lager erforderlich ist.
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Weil die erfindungsgemäße Turbine sehr kompakt baut, ist es selbstverständlich auch möglich, nach beispielsweise sechs oder sieben Betriebsjahren die Turbine vorsorglich komplett mit dem Generator auszutauschen und durch ein überholtes Aggregat zu ersetzen. Das verschlissene Aggregat kann anschließend, ohne Stillstand der ORC-Anlage, beim Hersteller revidiert und für weitere Betriebsjahre vorbereitet werden.
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Um die Steuerung und Regelung der erfindungsgemäßen ORC-Anlage bestmöglich vornehmen zu können und dadurch einen guten Wirkungsgrad in verschiedenen Betriebspunkten zu erreichen, ist eine Vielzahl von Temperatursensoren und/oder Drucksensoren sowie Wärmemengenzählern vorgesehen. Die Details der Anordnung solcher Sensoren sind der 4 und deren Beschreibung entnehmbar.
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In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung umfasst der erste Wärmeübertragerkreis eine drehzahlgeregelte Umwälzpumpe, wobei ein Förderstrom der Umwälzpumpe in Abhängigkeit einer Rücklauftemperatur und/oder einer Vorlauftemperatur des in dem ersten Wärmeübertragerkreis zirkulierenden flüssigen Wärmeträgers geregelt und/oder gesteuert wird.
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Dadurch ist es möglich, dass der Verdampfer der ORC-Anlage mit thermischer Energie bei konstanter Temperatur versorgt wird, unabhängig von der momentanen Leistung der Wärmequelle. Somit ist es möglich, trotz der einfach aufgebauten Turbine die Dampfparameter des Arbeitsmittels über einen weiten Leistungsbereich konstant zu halten und somit die Turbine mit einem guten Wirkungsgrad betreiben zu können.
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In ähnlicher Weise ist vorgesehen, dass der Kondensator der ORC-Anlage über einen zweiten Wärmeübertragerkreis an eine Wärmesenke angeschlossen ist. Auch hier ist es vorteilhaft, in dem zweiten Wärmeübertragerkreis eine drehzahlgeregelte Umwälzpumpe vorhanden ist, die in Abhängigkeit einer Rücklauftemperatur und/oder einer Vorlauftemperatur des in dem zweiten Wärmeübertragerkreis zirkulierenden Wärmeträgers geregelt und/oder gesteuert wird. Da für einen guten Wirkungsgrad der Turbine auch die Temperatur auf der Niederdruckseite (d. h. im Kondensator) der Turbine entscheidend ist, können mit dem erfindungsgemäßen zweiten Wärmeübertragerkreis die Temperaturen des Kondensators konstant gehalten werden. Daraus resultiert eine sehr gute Entspannung des Arbeitsmittels in der Turbine, was sich positiv auf die Turbinenleistung auswirkt.
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Die eingangs genannte Aufgabe wird auch gelöst durch ein Verfahren zum Betreiben einer ORC-Anlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Förderleistung der Arbeitsmittelpumpe so geregelt wird, dass sich am Austritt des Arbeitsmittels aus dem Verdampfer eine Temperatur zwischen 85° Celsius und 90° Celsius und ein Druck zwischen 8 bar und 8,5 bar einstellt.
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Dadurch ist es möglich, die Parameter Druck und Temperatur des Arbeitsmittels am Turbineneintritt nahezu unabhängig von der zur Verfügung stehenden Wärmeleistung konstant zu halten. Infolge dessen arbeitet die erfindungsgemäße Turbine stets in einem Punkt mit einem guten Wirkungsgrad. Außerdem wird der Tropfenschlag in der Turbine wirkungsvoll verhindert.
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Des Weiteren sieht das erfindungsgemäße Verfahren vor, dass die Förderleistung der Umwälzpumpe im ersten Wärmeübertragerkreis in Abhängigkeit der Temperatur des Wärmeträgers am Austritt aus dem Verdampfer geregelt wird. Es und hat sich dabei als vorteilhaft erwiesen, wenn der Wärmeträger beim Austritt aus dem Verdampfer eine Temperatur zwischen 70° Celsius und 80° Celsius, bevorzugt von 75° Celsius hat.
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Diese Temperaturen des ersten Wärmeübertragerkreises erlauben eine optimale Einbindung der erfindungsgemäßen ORC-Anlage in ein BHKW, das mit einem Hubkolbenmotor versehen ist. Üblicherweise werden solche BHKW-Motoren nämlich mit einer Kühlwassertemperatur am Austritt aus der Brennkraftmaschine von 90° Celsius betrieben. Die Eintrittstemperatur des Kühlwassers beträgt 75° Celsius. Somit ist es durch die erfindungsgemäße ORC-Anlage möglich, aus der über das Kühlwasser des BHKWs abgeführten thermischen Energie noch elektrische Energie zu erzeugen.
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Somit wird der zum Betrieb des BHKWs eingesetzte Brennstoff, sei es fossiler oder regenerativ erzeugter Brennstoff, in zwei Stufen genutzt. Die erste Stufe ist die herkömmliche Erzeugung von Strom und Wärme in dem BHKW. Die zweite Stufe besteht darin, aus der anfallenden Abwärme mittels der erfindungsgemäßen ORC-Anlage noch weitere elektrische Energie zu erzeugen. Dadurch wird die elektrische Leistung eines BHKWs, das mit einer nachgeschalteten erfindungsgemäßen ORC-Anlage versehen ist, signifikant erhöht.
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Als Arbeitsmittel für die erfindungsgemäße ORC-Anlage hat sich HFC-245FA, auch als Genitron 245FA bezeichnet, bewährt. Die chemische Bezeichnung dieses Arbeitsmittels ist 1,1,1,3,3-Penthafluorporopan und wird z. B. von der Firma Honeywell Fluorine Products Europe B.V. hergestellt.
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Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in der nachfolgenden Zeichnung, deren Beschreibung und den Patentansprüchen entnehmbar. Alle in der Zeichnung, deren Beschreibung in den Patentansprüchen offenbarten Merkmale können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination miteinander erfindungswesentlich sein.
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Es zeigen:
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1 eine Seitenansicht und eine Ansicht von vorne eines Laufrads einer erfindungsgemäßen Turbine;
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2 verschiedene Ansichten eines Gehäuseteils mit integriertem feststehendem Leitapparat;
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3 ein Längsschnitt durch eine erfindungsgemäße Turbine, die auf einer Rotorwelle des Generators fliegend gelagert ist und
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4 ein Blockschaltbild der erfindungsgemäßen ORC-Anlage.
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Beschreibung der Ausführungsbeispiele
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In der 1 ist eine Ansicht von vorne und eine Seitenansicht eines Ausführungsbeispiels eines Laufrads 1 einer erfindungsgemäßen Turbine dargestellt. Das Laufrad weist eine zentrale Bohrung 3 auf. Mit Hilfe dieser Bohrung 3 wird das Laufrad 1 auf einer Rotorwelle eines Generators (siehe 3) fliegend gelagert.
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Das Laufrad 1 ist ein radiales Laufrad. Dies bedeutet, dass das unter hohem Druck von beispielsweise 8 bis 8,5 bar stehende Arbeitsmittel radial von außen in das Laufrad eintritt und von dem Laufrad in axialer Richtung umgelenkt wird. Diese Vorgänge sind in der Seitenansicht der 1 durch Pfeile (ohne Bezugszeichen) angedeutet.
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Die Schaufeln 5 des Laufrads 1 sind einfach oder mehrfach gekrümmt, um einen optimalen Wirkungsgrad zu erzielen. Das Laufrad 1 lässt sich aus einem Rohling aus dem vollen beispielsweise durch Fräsen herstellen, so dass die Herstellungskosten vergleichsweise gering sind. Aus diesem Grund hat es eine sehr gute thermodynamische und strömungstechnische Qualität. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel sind dreizehn (13) Laufschaufeln 5 vorhanden.
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In 2 ist ein Leitapparat 7 in verschiedenen Ansichten dargestellt. Der Leitapparat 7 weist an seiner kreisringförmigen Stirnseite insgesamt 14 Leitschaufeln 9 auf. Aus der Isometrie und der Ansicht von vorne der 2 wird deutlich, dass die Leitschaufeln 9 in einer Ebene angeordnet sind, so dass sie durch eine NC-Fräsmaschine oder ein Bearbeitungszentrum sehr präzise und kostengünstig hergestellt werden können. Dabei wird auch deutlich, dass die insgesamt 14 Leitschaufeln bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel um einen Winkel von 25,71° verschränkt angeordnet sind. Die Leitschaufeln 9 sind bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel gerade ausgebildet und verjüngen sich zum Laufrad hin. Ein Winkel α zwischen den beiden Seiten der Leitschaufeln 9 kann beispielsweise zwischen 2° und 6° bevorzugt etwa 4° betragen. Alternativ können die Leitschaufeln 9 auch gekrümmt ausgebildet sein.
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Der Leitapparat 7 wird mit einem Deckel 17 verschraubt (siehe 3), der wiederum einen Generator 18 aufnimmt. Dies lässt sich auch aus dem Querschnitt im linken unteren Teil der 2 gut erkennen. Dort ist ein Einpass 11 dargestellt, der zur Aufnahme des Deckels 17 (siehe 3) dient. Ein Innendurchmesser D1 des Gehäuseteils 7 ist so bemessen, dass er dem Außendurchmesser Da des Laufrads 1 (siehe 1) entspricht. Selbstverständlich ist ein ausreichendes Spiel vorzusehen, damit das Laufrad 1 nicht im Gehäuseteil 7 "frisst".
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In 3 ist sind ein Gehäuse 13, der Leitapparat 7, ein Deckel 17 und ein Generator 18 der erfindungsgemäßen Turbine dargestellt. In dieser Ansicht ist die Positionierung des Laufrads 1 in dem Leitapparat 7 und dem Gehäuse 13 gut zu erkennen. Zur Veranschaulichung des Strömungsweges des Arbeitsmittels sind wieder, ähnlich wie in 1, Pfeile ohne Bezugszeichen eingezeichnet.
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Das Laufrad ist fliegend auf einer Rotorwelle 15 des nur schematisch dargestellten Generators 18 gelagert. In dem Generator 18 sind bevorzugt Keramiklager verbaut, damit der Generator 17 die hohen Betriebsdrehzahlen von etwa 50.000 pro Minute über viele Jahre, d. h. über beispielsweise 50.000 Betriebsstunden ohne Verschleiß überstehen.
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Dies bedeutet auch, dass die Lagerung des Generators 187 den Axialschub des Laufrads 1 aufnehmen können muss. Die Verwendung von Keramikwälzlagern hat sich dabei als besonders vorteilhaft erwiesen.
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Der erfindungsgemäße Generator 18 ist vorzugsweise ein permanent erregter Asynchrongenerator, der eine Wechselspannung mit einer Frequenz von 1.660 Hz erzeugt. Diese hochfrequente Wechselspannung wird über eine mehrfach gestufte Wechselrichterbrücke mit mehreren Filtern in eine geglättete Gleichspannung von etwa 400 V umgewandelt. Diese geglättete Gleichspannung wird mit einem handelsüblichen Wechselrichter, wie er z. B. aus der fotovoltaischen Stromerzeugung bewährt ist, zugeführt. Dieser handelsübliche Wechselrichter speist die Energie dann in das öffentliche Stromnetz ein. Die Verwendung eines handelsüblichen Wechselrichters ist besonders vorteilhaft, weil am Markt sehr leistungsfähige und gute Wechselrichter verfügbar sind und diese am Markt verfügbaren Wechselrichter die erforderlichen Zulassungen bereits haben.
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In der 4 ist ein Blockschaltbild eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen ORC-anlage dargestellt.
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Dabei werden folgende branchenübliche Abkürzungen verwendet.
- TIC:
- Temperatursensor, dessen Ausgangswerte einem Steuergerät 21 zugeführt werden.
- PIC:
- Drucksensor, dessen Ausgangswerte einem Steuergerät 21 zugeführt werden.
- FQ:
- Wärmemengenzähler
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Die Bezeichnungen beginnen bei 2.01 und enden bei 2.11 geben die Orte der Sensoren TIC und PIC an.
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Der eigentliche ORC-Kreislauf umfasst eine Turbine 25, einen Kondensator 27, einen Sammler 29, eine Arbeitsmittelpumpe 31 und einen Verdampfer 33. Die Rohrleitungen, welche die genannten Komponenten der ORC-Anlage verbinden, haben keine Bezugszeichen.
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In dem in 4 dargestellten Blockschaltbild sind insgesamt fünf Drucksensoren PIC und sechs Temperatursensoren TIC vorgesehen. Diese relativ große Zahl von Druck- und Temperatursensoren ermöglicht eine sehr genaue und effiziente Steuerung und/oder Regelung der ORC-Anlage. Infolge dessen ist der Wirkungsgrad der ORC-Anlage auch bei unterschiedlichen Betriebspunkten, d. h. bei unterschiedlicher Leistungsabgabe der Turbine 25, sehr gut.
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Die Steuerung der ORC-Anlage übernimmt ein Steuer- und/oder Regelgerät 35, das nachfolgend auch als Steuergerät 35 bezeichnet wird. Die Sensoren TIC und PIC übermitteln ihre Ausgangssignale über nicht dargestellte Signalleitungen an das Steuer- und/oder Regelgerät. In Abhängigkeit dieser Ausgangssignale steuert das Steuergerät 35 die Drehzahl der Arbeitsmittelpumpe 31. Dadurch wird sichergestellt, dass das Arbeitsmittel nach dem Austritt aus dem Verdampfer 33 und vor dem Eintritt in die Turbine 25 die gewünschten Parameter Druck und Temperatur hat, so dass ein optimaler Betrieb der Turbine möglich ist.
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Der Verdampfer 33 wird über einen ersten Wärmeübertragerkreis 37 mit Wärme versorgt. Der erste Wärmeübertragerkreis 37 umfasst eine Wärmequelle 39, die beispielsweise der Kühlwasserkreislauf eines BHKWs mit Brennkraftmaschine sein kann, eine Umwälzpumpe 41 sowie Temperatursensoren TIC und einen Wärmemengenzähler FQ2.01.
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Die Umwälzpumpe 41 ist ebenfalls drehzahlgeregelt, so dass in Abhängigkeit der Ausgangssignale der Temperatursensoren TIC2.03 und TIC2.02 das Steuergerät 31 eine konstante Temperatur am Eintritt des in dem ersten Wärmeübertragerkreis 37 zirkulierenden Wärmeträger von beispielsweise 90° einstellen kann. Diese Temperatur kann über einen sehr weiten Leistungsbereich konstant gehalten werden, indem, wie bereits erwähnt, die Förderleistung der Umwälzpumpe 41 entsprechend gesteuert wird. Diese konstante Temperatur von beispielsweise 90° Celsius erlaubt einen effizienten Betrieb der Turbine 25 der erfindungsgemäßen ORC-Anlage.
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Im Bereich des Kondensators 27 ist ein zweiter Wärmeübertragerkreis 43 angeordnet. Dieser zweite Wärmeübertragerkreis 43 ist ähnlich aufgebaut wie der erste Wärmeübertragerkreis 37. Er umfasst eine Umwälzpumpe und eine Wärmesenke 47. Des Weiteren sind Temperatursensoren TIC 2.08 und 2.09 sowie ein Wärmemengenzähler FQ2.02 vorhanden. Auch die Umwälzpumpe 45 des zweiten Wärmeübertragerkreis 43 ist drehzahlgeregelt, so dass die Temperatur des Kühlwassers im zweiten Wärmeübertragerkreis 43 sowohl am Eintritt in den Kondensator 27 und/oder am Austritt an dem Kondensator 27 auf einen vorgegebenen Wert eingeregelt werden kann.
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Somit kann die erfindungsgemäße Turbine 25 trotz der Abhängigkeit von der Leistung der Wärmequelle 39 und der Wärmesenke 47 in Arbeitspunkten betrieben werden in denen die Turbine einen relativ guten Wirkungsgrad hat.
