DE102014014032A1

DE102014014032A1 - Vorrichtung zur Energieerzeugung, insbesondere ORC-Anlage

Info

Publication number: DE102014014032A1
Application number: DE102014014032.6A
Authority: DE
Inventors: Anmelder Gleich
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2014-09-26
Filing date: 2014-09-26
Publication date: 2016-03-31
Also published as: EP3000993A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Energieerzeugung mit einem geschlossenen Kreislauf für ein Kältemittel, umfassend wenigstens einen Wärmetauscher, insbesondere einen Plattentauscher; wenigstens eine im geschlossenen Kreislauf dem Wärmetauscher nachgeordnete Vorrichtung zum Antrieb eines Generators, insbesondere eines Scroll-Expanders; wenigstens eine Wärmequelle, wenigstens einen Verflüssiger, insbesondere mit einem Lüfter, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmetauscher aus der Wärmequelle einen derartigen Energieeintrag in das Kältemittel aufweist, das das Kältemittel auf eine Temperatur im Bereich von 30°C bis 50°C, bevorzugt 30°C bis 40°C, erhitzt und einen Druck im Bereich 20 bar bis 8 bar, bevorzugt 12 bar bis 9 bar, nach dem Wärmetauscher und vor dem Eintritt in die wenigstens eine Einrichtung zum Antrieb eines Generators, insbesondere eines Scroll-Expanders gebracht wird

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Energieerzeugung mit einem geschlossenen Kreislauf für ein Kältemittel, umfassend wenigstens einen Wärmetauscher, wenigstens eine im geschlossenen Kreislauf angeordnete Einrichtung zum Antrieb eines Stromgenerators, einen Verflüssiger sowie wenigstens einer Wärmequelle.
Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung handelt es sich um eine sogenannte ORC(Organic Cycle)-Anlage. ORC ist ein thermodynamischer Kreisprozess, der die Stromgewinnung bei vergleichsweise niedrigen Temperaturen auf Basis eines organischen Kältemittels ermöglicht. Bei der ORC-Technologie wird Abwärme über einen Wärmetauscher geführt, der das Kältemittel in einem geschlossenen Kreislauf erhitzt. Dadurch wird schon bei niedrigen Temperaturen ein hoher Dampfdruck aufgebaut, der dazu benutzt wird, eine Turbine anzutreiben, die wiederum mit einem Stromgenerator verbunden ist. Das über der Turbine entspannte Medium wird wiederum verflüssigt, abgekühlt und dem Verdampfungsprozess erneut zugeführt.
Beim ORC-Prozess zirkuliert in einem thermodynamischen Kreisprozess somit anstelle von Wasser ein niedrig siedender organischer Stoff wie Kohlenwasserstoff oder Silikonöle. Eine derartige ORC-Anlage wird beispielsweise von der CONPOWER Technik GmbH & Co. KG, Schwarze Breite 17, 34260 Kaufungen, vertrieben. Die von CONPOWER Technik vertriebene Niedertemperatur-ORC-Anlage ermöglicht eine Nutzung von Rest- oder Abfallwärme mit Temperaturen ab 85°C zur Erzeugung von Strom. Beispielsweise kann eine derartige Niedertemperatur-ORC-Anlage die Abwärme aus Abgas- und/oder Motorkühlung bei einem Blockheizkraftwerk nutzen.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein System anzugeben, das eine noch höhere Energieeffizienz als die derzeit bekannten ORC-Anlagen bietet.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch eine Vorrichtung gemäß Anspruch 1, ein Verfahren gemäß Anspruch 4 sowie eine Verwendung gemäß Anspruch 7 gelöst.
Erfindungsgemäß ist die Vorrichtung zur Energieerzeugung so ausgelegt, dass im Wärmetauscher ein derartiger Energieeintrag aus einer Wärmequelle erfolgt, dass das Kältemittel auf eine Temperatur im Bereich von 30°C bis 50°C, bevorzugt 30°C bis 40°C erhitzt und einen Druck im Bereich 20 bar bis 8 bar, bevorzugt 12 bar bis 9 bar, nach dem Wärmetauscher und vor dem Eintritt in die wenigstens eine Turbine gebracht wird. Das Kältemittel ist insbesondere eines der nachfolgenden Kältemittel R134a, R410a, R407c, R404, CO₂, R245. Das Kältemittel hat dann einen derartigen Dampfdruck, dass die Einrichtung zum Antrieb eines Generators eine ausreichende Strommenge am nachgeschalteten Generator zur Verfügung stellt. Bei dem besonders bevorzugt verwandten Kältemittel R134a handelt es sich um 1,1,1,2-Tetrafluorethan, einem Kohlenwasserstoff, der als Treib- und Kältemittel alternativ zu Fluor-Chlor-Kohlenwasserstoff Verwendung findet und im Gegensatz zu den Fluor-Chlor-Kohlenwasserstoffen keine zerstörende Wirkung auf die Ozonschicht hat.
Die Vorrichtung kann insbesondere auch mit CO₂ als Kältemittel betrieben werden, das den Vorteil der Nichtbrennbarkeit hat und kaum umweltgefährdend ist. Das Kältemittel CO₂ wird auch als R744 bezeichnet.
Als Wärmequellen zum Eintrag von Wärme in den Wärmetauscher und damit Erhitzen des Kühlmittels kommen eine Vielzahl von Wärmequellen in Frage, beispielsweise ein Kessel für fossile Brennstoffe oder eine Biogasanlage. Ganz besonders bevorzugt ist es, wenn als Wärmequelle ein Verflüssiger eines zweiten Kühlkreislaufs verwandt wird. Auf diese Art und Weise kann eine Kühleinrichtung, die beispielsweise mit einem CO₂-Kältemittel betrieben wird und Aufstellungen in Räumen zur Kühlung findet, sehr effizient ausgestaltet werden, da die notwendigerweise im Verflüssiger anfallende Abwärme bei der Verflüssigung des Kältemittels durch die nachgeschaltete Niedertemperatur-ORC-Anlage genutzt werden kann. Im Gegensatz zu anderen Wärmequellen, wie beispielsweise ein Kessel für fossile Brennstoffe oder eine Biogasanlage, ist die Abwärme des Verflüssigers eines zweiten Kühlkreislaufs nicht so energiereich und erwärmt daher das über dem Wärmetauscher geleitete Kältemittel der ORC-Anlage auf nur sehr niedrige Temperaturen von beispielsweise 30°C bis 50°C und Drücken von wenigstens 12 bar bis 9 bar, bevorzugt 10 bar. Trotz dieser niedrigen Temperaturen und niedrigen Drücke ist es mit der erfindungsgemäßen ORC-Anlage möglich, über einen der Einrichtung zum Antrieb eines Generators nachgeschalteten Generator Strom zu erzeugen und somit die Energieeffizienz der Kühlanlage deutlich zu steigern, da die Abwärme der Kühlanlage nunmehr genutzt werden kann. Die Erfinder haben überraschenderweise herausgefunden, dass der Betrieb einer ORC-Anlage bei derart niedrigen Temperaturen dann möglich ist, wenn als Einrichtung zum Antrieb eines Generators statt einer Turbine ein Scroll Expander mit einer Leistung zwischen 1 kW und 10 kW eingesetzt wird. Derartige Scroll Expander werden beispielsweise von Air Squared Inc., 3001 Industrial In #3 Broomfield, CO 80020, USA unter der Typenbezeichnung E15H22N4.25 für 1 kW Leistung und unter der Typenbezeichnung E25H61N5.0 für 10 kW Leistung angeboten deren Offenbarungsgehalt vollumfänglich mit eingeschlossen wird. Die Drehzahl liegt dabei bei maximal 3600 U/min. Die Scoll-Expander sind bevorzugt mit einer Magnetkupplung ausgeführt und zeichnen sich durch weigehend Wartungsfreiheit aus.
Neben der Vorrichtung stellt die Erfindung auch ein Verfahren zum Erzeugen von Energie, insbesondere elektrische Energie, zur Verfügung, wobei bevorzugt eine ORC-Anlage zum Einsatz kommt. Zur Erzeugung von Energie wird Wärme, insbesondere Abwärme, über einen Wärmetauscher in einem geschlossenen Kühlkreislauf einem Kühlmittel zugeführt und das Kältemittel auf eine Temperatur im Bereich von 30°C bis 50°C, bevorzugt 30°C bis 40°C, erhitzt und auf einen Druck im Bereich 20 bar bis 8 bar, bevorzugt 12 bar bis 9 bar, gebracht. Anschließend wird das erhitzte und unter Druck stehende Kältemittel über eine Einrichtung zum Antrieb eines Generators, insbesondere eines Scroll Expanders geführt und entspannt, so dass wobei die Einrichtung angetrieben wird und das entspannte Kältemittel auf eine Temperatur im Bereich 20°C bis 35°C, bevorzugt 25°C bis 32°C, und einem Druck im Bereich 10 bar bis 5 bar, bevorzugt 8 bar bis 5 bar, entspannt. Um das Kältemittel nachdem es in der Einrichtung zum Antrieb einer Turbine, insbesondere einem Scroll-Expander entspannt wurde, zu verflüssigen, bevor es erneut den Wärmetauscher zugeführt wird, ist ein Verflüssiger im Kühlkreislauf nach dem Scroll-Expander und vor dem Wärmetauscher vorgesehen. Aufgrund der niedrigen Temperatur und des niedrigen Drucks nach dem Scroll-Expander ist es bei vorliegender Vorrichtung möglich einen Verflüssiger mit einem Lüfter mit einer sehr geringen Leistungsaufnahme von nur 10 W zu verwenden. Bereits dieser geringe Leistungseintrag ist zur Verflüssigung des Kältemittels ausreichend. Der Druckunterschied zwischen dem Eintritt in den Verflüssiger und dem Austritt beträgt 2 bis 4 bar, d. h. der Druck des Kältemittels ist nach dem Verflüssiger 2 bis 4 bar niedriger. Die Turbine wiederum treibt einen Stromgenerator zur Erzeugung von Strom an. Anschließend wird das entspannte Kältemittel erneut dem Wärmetauscher zugeführt.
Wie zuvor erwähnt, ist es besonders vorteilhaft, wenn in der erfindungsgemäßen ORC-Anlage die Abwärme eines weiteren Kühlkreislaufs, insbesondere die Abwärme eines Verflüssigers des zweiten Kühlkreislaufs, genutzt wird.
Die Erfindung soll nunmehr anhand der Figuren beispielhaft ohne Beschränkung hierauf beschrieben werden.
Es zeigt:
1 das prinzipielle Bild einer ORC-Anlage für niedrige Temperaturen;
2 ein System mit einem zweiten Kältekreislauf und Verflüssiger zur Zuführung von Energie in den ORC-Kältekreislauf.
Bei der in 1 dargestellten ORC-Anlage wird über ein als Plattentauscher ausgebildeten Wärmetauscher ein beispielsweise mit einer Temperatur von 25°C über Zuführleitung 5 zugeführtes Kühlmittel auf eine Temperatur von 30°C in der Ausgangsleitung 7 erwärmt. Die Temperatur von 30°C in Leitung 7 reicht bei einem Druck von 10 bar, die das Kältemittel in Leitung 7 aufweist, aus, den Scroll-Expander 9, der eine Leistung im Bereich 1 bis 60 kW, bevorzugt 1 bis 10 kW aufweist, anzutreiben und im nicht gezeigten Generator Strom zu erzeugen. In der Leitung 7 bis zum Scroll Expander 9 sind Druckmessstellen 11.1, 11.2 vorgesehen, um einen Druckabfall, der in Leitung 7 auftreten kann, zu detektieren.
Um einen Zufluss von Kühlmittel zum Scroll Expander 9 abbrechen zu können, ist in Leitung 7 ein Kugelabsperrventil 13 angeordnet. Ein Zurücklaufen von in Leitung 7 befindlichem Kältemittel in den Wärmetauscher 3 verhindert ein in Leitung 7 angeordnetes Rückschlagventil 15.
Im geschlossenen Kühlkreislauf dem Scroll Expander 9 nachgeordnet ist in vorliegender Ausgestaltung ein Verflüssiger 20, in dem das in der Turbine entspannte Kältemittel, beispielsweise R134a, wieder verflüssigt wird. Nach dem Verflüssiger ist der Druck des Kältemittels 2 bis 4 bar niedriger. Der Verflüssiger kann vorteilhafterweise einen Lüfter umfassen und eine sehr geringe Leistungsaufnahme von nur 10 W.
Dem Verflüssiger 20 nachgeordnet ist wiederum ein Druckmessgerät 11.3. Die Förderung des Kühlmittels erfolgt mit einer Pumpe 30, die bevorzugt als Zahnradpumpe ausgestaltet ist. Der Fluss durch die Pumpe 30 kann mittels Kugelhähnen 23, 33 abgesperrt werden, Rückschlagventil 35 verhindert ein Zurücklaufen der Kühlflüssigkeit in die Pumpe 30.
In einem optional aber nicht notwendigen Vorratsbehälter 40 wird das verflüssigte Kühlmittel gesammelt und vom Vorratsbehälter 40 aus wiederum der Wärmequelle bzw. dem Plattentauscher über Leitung 5 zugeführt. Der Druck vor Eintritt in den Plattentauscher wird mit Druckmessventil 11.4 überwacht. Durch den Vorratsbehälter wird sichergestellt, dass immer ausrechend Kühlmittel zur Verfügung steht.
In 2 ist eine Ausgestaltung einer Niedertemperatur-ORC-Anlage gemäß 1 dargestellt, wobei die Abwärme des Verflüssigers, die am Wärmetauscher in den Kühlkreislauf zum Antrieb des Scroll Expanders eingebracht wird, einer Kühlanlage konventioneller Bauart, beispielsweise einer mit CO₂ als Kältemittel betriebenen Kühlanlage ist. Eine derartige Kühlanlage kann in vielfältigen Bereichen eingesetzt werden, beispielsweise als Kühlanlage für Computeranlagen, wie beispielsweise in der WO 2012/000254 oder der WO 2012/116769 offenbart. Auch konventionelle Kühlsysteme, wie sie beispielsweise in Warenhäusern oder Supermärkten Verwendung finden, wären hier möglich.
Der Verflüssiger des zweiten Kühlkreislaufs ist mit Bezugsziffer 100 bezeichnet. Die im Verflüssiger des konventionellen Kühlkreislaufs anfallende Abwärme wird über den Wärmetauscher 3 zum Scroll Expander 9 der ORC-Anlage geleitet. Gleiche Bauteile wie in 1 sind mit denselben Bezugsziffern gekennzeichnet. Auch der zweite Kühlkreislauf weist einen Vorratsbehälter 400 auf sowie nicht dargestellte Kühlstellen 500. Eine derartige Anlage, bei der die Abwärme des Kühlkreislaufes für die Erzeugung elektrischer Energie genutzt wird, ist besonders energieeffizient.
In der Erfindung wird erstmals eine Vorrichtung angegeben, die es ermöglicht, mit Kältemittel mit Temperaturen kleiner 50°C eine Einrichtung zum Antrieb eines Generators und damit einen Generator anzutreiben und Strom zu erzeugen, wodurch insbesondere im Verbund mit Kältemitteleinrichtungen zum Kühlen eine hohe Energieeffizienz erreicht wird Im Gegensatz zu dem erfindungsgemäßen System bei dem die Abwärme aus einem zweiten Kühlkreislauf zur Erzeugung von elektrischer Energie verwandt wird, wurde bei Systemen im Stand der Technik, die Abwärme des Verflüssigers ungenutzt z. B. über das Dach abgeben. Die erfindungsgemäße ORC-Anlage mit einen Scroll Expander als Vorrichtung zum Antrieb eines Generators ermöglicht die Verwertung der Abwärme des Verflüssigers aus dem zweiten Kühlkreislauf. Dadurch wird die Energiebilanz des Gesamtsystems bestehend aus einem Kühlaggregat und einer ORC-Anlage erheblich verbessert.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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.
Zitierte Patentliteratur

WO 2012/000254 [0020]
WO 2012/116769 [0020]

Claims

Vorrichtung zur Energieerzeugung mit einem geschlossenen Kreislauf für ein Kältemittel, umfassend – wenigstens einen Wärmetauscher (3), insbesondere einen Plattentauscher; – wenigstens eine im geschlossenen Kreislauf dem Wärmetauscher (3) nachgeordnete Einrichtung zum Antrieb eines Generators, insbesondere eines Scroll-Expanders (9); – wenigstens eine Wärmequelle, – wenigstens einen Verflüssiger (20), insbesondere mit einem Lüfter, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmetauscher (3) aus der Wärmequelle einen derartigen Energieeintrag in das Kältemittel aufweist, das das Kältemittel auf eine Temperatur im Bereich von 30°C bis 50°C, bevorzugt 30°C bis 40°C, erhitzt und einen Druck im Bereich 20 bar bis 8 bar, bevorzugt 12 bar bis 9 bar, nach dem Wärmetauscher (3) und vor dem Eintritt in die wenigstens eine Einrichtung zum Antrieb eines Generators, insbesondere eines Scroll-Expanders (9) gebracht wird.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Kältemittel ausgewählt aus einem der nachfolgenden Kältemittel ist: R134a R410a R407c CO₂
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmequelle wenigstens eine der nachfolgenden Wärmequellen ist: ein weiterer Verflüssiger (100) eines weiteren Kühlkreislaufs; ein Kessel für fossile Brennstoffe; eine Biogasanlage.
Verfahren zum Erzeugen von Energie, insbesondere elektrische Energie, bevorzugt mit einer Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, umfassend folgende Schritte: – Wärme, insbesondere Abwärme, wird über einen Wärmetauscher in einen geschlossenen Kühlkreislauf einem Kühlmittel zugeführt, derart, dass – das Kühlmittel auf eine Temperatur im Bereich 30° bis 50°C, bevorzugt 30° bis 40°C erhitzt und auf einen Druck im Bereich 20 bar bis 8 bar, bevorzugt 12 bar bis 9 bar, gebracht wird; – das erhitzte und unter Druck stehende Kältemittel wird einer Vorrichtung zum Antrieb eines Generators, insbesondere eines Scroll Expanders zugeführt und entspannt, so dass diese angetrieben wird, wobei das entspannte Kältemittel eine Temperatur im Bereich 25°C bis 32°C, und einen Druck im Bereich 10 bar bis 5 bar, bevorzugt 8 bar bis 5 bar, aufweist; – das entspannte Kältemittel wird in einem Verflüssiger (20) verflüssigt und erneut dem Wärmetauscher (3) zugeführt.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärme dem Wärmetauscher über eine der nachfolgenden Wärmequellen zugeführt wird: – einem weiteren Verflüssiger (100) eines weiteren Kühlkreislaufs; – einem Kessel für fossile Brennstoffe; – einer Biogasanlage.
Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Kältemittel ausgewählt aus einem der nachfolgenden Kältemittel ist: R134a R410a R407c CO₂
Verwendung einer Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3 zur Durchführung eines ORC-Kreisprozesses, insbesondere unter Nutzung der Abwärme aus Kühlkreisläufen von Kühlaggregaten.