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EINLEITUNG
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Verfahren als Clausius-Rankine-Prozess mit regenerativer CO2-Zirkulation und Energiezufuhr über Wärmepumpen in Kombination mit einem Kältekreislauf, indem ein flüssiges Hochdruckgas (wie z.B. R744 (CO2), R744A etc.) in einem geschlossenen System mittels der Kondensationsenergie einer Kälteanlage und einer Wärmepumpe erwärmt und nach dessen Expansion in verschiedenen Turbinenstufen von einer Kälteanlage wieder verflüssigt wird. Hierbei wirkt der linksläufige (Carnot)-Kreislauf eines Kälteprozesses und einer Wärmepumpe auf den rechtsläufigen Clausius-Rankine-Prozess eines Kraftwerkes, indem ein Kältemittel im Druck-Enthalpie-Diagramm linksläufig annähernd isentrop bzw. polytrop verdichtet und verflüssigt wird, um mittels der Verdampfung des Kältemittels das im Enthalpie-Druck-Diagramm rechtsläufigzirkulierende CO2 zu verflüssigen. Gängige Kraftwerke werden entweder mit Wasser oder mit Ammoniak als Arbeitsmittel betrieben, die sehr hohe Temperaturen erfordern, um die Turbinen antreiben zu können. Der Einsatz von CO2 verringert die Temperaturen im System erheblich, sodass die Turbinen mit einem herkömmlichen Druck von >220 bar und weniger als +80°C CO2-Dampftemperatur, anstatt mit +530°C Wasserdampftemperatur betrieben werden können. Dadurch wird der Wirkungsgrad eines Kraftwerkes signifikant erhöht.
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NAME DER ERFINDUNG
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Verfahren als Clausius-Rankine-Prozess mit regenerativer CO2-Zirkulation und Energiezufuhr über Wärmepumpen.
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TECHNISCHES GEBIET
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Stromerzeugung, Kraftwerke, Antriebstechnik, Turbinen
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STAND DER TECHNIK
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Es ist nicht bekannt, ob eine Kälteanlage, bzw. eine Wärmepumpe genutzt wird, um hohe CO2-Druckdifferenzen zu erzeugen, die wiederrum zum Antrieb einer Turbine zur Stromgewinnung genutzt werden können.
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DAS ZUGRUNDELIEGENDE PROBLEM
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Wegen den derzeitigen Auflagen und Ziele der nationalen und internationalen Behörden soll die Verbrennung von fossilen Brennstoffen aufgrund des Klimawandels und der Umweltverschmutzung reduziert, bzw. abgeschafft werden. Das kann man erreichen, indem andere Verfahren angewandt werden, die die Effizienz der gängigen Kraftwerke wesentlich erhöhen. Anstatt fossile Brennstoffe zu verbrennen, um die benötigten Drücke auf die Turbinenschaufeln zu erhalten, wird in diesem Verfahren CO2, oder ein Gas mit ähnlichen Eigenschaften, mittels der Kondensationsenergie einer Kälteanlage und einer Wärmepumpe auf den gleichen, bzw. einen höheren Druck gebracht, der ebenfalls auf die Turbinenschaufeln wirkt.
Die Verdichter werden wahlweise von einer Entspannungsmaschine oder einem Elektromotor angetrieben.
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ALLGEMEINES
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Dieses Verfahren nutzt die Eigenschaft eines flüssigen Hochdruckgases (wie z.B. CO2), mit einer geringen Temperaturerhöhung hohe Druckunterschiede erzielen zu können. Gemäß den physikalischen Gesetzen der Energieerhaltung handelt es sich hierbei vorwiegend um künstlich erzeugte Temperatur- und Druckunterschiede. Es wird sowohl die Energiezufuhr durch die Verdampfung eines Kältemittels, als auch die Energieabfuhr durch die Verflüssigung eines Kältemittels in einem physikalisch geschlossenem System eines Kreisprozesses (Kälteprozess) als Energiequelle genutzt. D.h. die benötigte Energie wird zum einen mit Hilfe einer Wärmepumpe der Umwelt (Erdreich, Wasser, Luft und andere Wärmequellen) entzogen, und zum anderen wird die Verdichtungsenergie der eingesetzten Verdichter genutzt, um hohe CO2-Drücke und große Enthalpie-Differenzen zu erhalten, die auf die Turbine wirken.
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Alle nachfolgend beschriebenen Ventile können direkt- oder pilotgesteuert ausgeführt werden, bzw. über z.B. Nockenwellen geöffnet und geschlossen werden. Alle Druckregelventile können mechanisch, thermo-mechanisch, oder über Druck- oder Temperaturtransmitter und einer Elektronik angesteuert werden. Die Antriebe aller automatisierten Ventile können entweder mechanisch, elektro-mechanisch, elektrisch, elektro-magnetisch, pneumatisch, hydraulisch, oder gleichwertig ausgeführt werden. Die aufgeführten Wärmetauscher können sowohl als Rohrbündel-, als auch als Platten-, oder Micro-Channel-Wärmetauscher oder sonstigen Wärmeaustauschtechnologien ausgeführt werden. Die nachfolgend beschriebene Vorrichtung und das beschriebene Verfahren, das als wirtschaftlicher Antrieb von Kraftwerks-Turbinen eingesetzt werden soll, erzeugt mittels der zuvor erwähnten Energiequellen große Enthalpie-Differenzen bei hohen Drücken, die auf die Turbinenschaufelräder wirken könnten.
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Figurenliste
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- 1:
Die Darstellung der Druck-Temperaturkurve von CO2 im Vergleich zu NH3 soll veranschaulichen, dass nur eine geringe Temperaturerhöhung von CO2, oder eines ähnlichen Hochdruckgases zu hohen Drücken führt. Es wird eine wesentlich geringere Energiezufuhr benötigt, die zum wirtschaftlichen Antrieb von Turbinen führt.
- 2:
Darstellung des Verfahrens im Druck-Enthalpie-Diagramm zur Veranschaulichung des Verfahrens von zwei voneinander getrennten Kreisprozessen, wobei der linksläufige Kreisprozess eines Kühlkreislaufes (A-B-D-E) den rechtsläufigen Kreisprozess (G-H-K-L) kühlt und u.U. auch erwärmt. Im linksläufigen Kreisprozess kann ein anderes Kältemittel verwendet werden, als im rechtsläufigen Kreisprozess. Es wird darauf hingewiesen, dass die Figur lediglich zum Verständnis der Vorrichtung und des Verfahrens dient. Die exakte Lage der einzelnen Linien, bzw. der Betriebszustände können je nach den tatsächlich vorherrschenden Drücken, Temperaturen, Enthalpie etc. variieren und sind für das Verfahren deshalb nicht bindend. Wegen den Wirkungsgraden, den Reibungswiderständen, den Federkräften, den Öffnungsdifferenzdrücken der eingesetzten Ventile, den Druckverlusten in den verwendeten Komponenten, wie Wärmetauscher, Rohrleitungen etc. ändern sich die im Diagramm dargelegten Betriebszustände, sodass die hier verwendeten Begriffe isobar, isochor, isentrop etc. nicht exakt zutreffen, sondern nur als Orientierungshilfe dienen sollen. Wird z.B. der Begriff „bei gleichbleibender Enthalpie“ verwendet, kann sich dies nur auf eine adiabatische Zustandsänderung beziehen, wobei die Enthalpie in reellen Zuständen nicht zwingend gleichbleibend sein muss. sondern sich z.B. in Abhängigkeit der Entropie ändern kann. Gleiches gilt u.a. auch für die Druck-, Temperatur-, und Dichteangaben, die lediglich zum Verständnis dienen sollen und von den reellen Zuständen abweichen können.
Ein Gasverdichter (1), der zur Vermeidung der Verbrennung des Schmierstoffes bei hohen Verdichtungsendtemperaturen eventuell auch ohne Öl betrieben werden kann, saugt das überhitzte Kältemittel vom Punkt (A) an und verdichtet es auf Punkt (B). Das heiße Gas mit der Enthalpie-Differenz-Strecke (B-C) wird für die Erwärmung der CO2-Flüssigkeit (8) mit Enthalpie-Differenz (K-G) genutzt.
Das Kältemittel wird vom Punkt (C) auf Punkt (D) des Weiteren von der Umgebungstemperatur der Vorrichtung gekühlt, verflüssigt und evtl. unterkühlt. Wird die Verdichtungswärme der Strecke (2) vom Punkt (B) bis ca. Punkt (C) nicht für die Erwärmung der CO2-Flüssigkeit (8) genutzt, wird diese Wärmemenge ebenfalls an die Umgebungsluft abgegeben, d.h. das Kältemittel wird vom Punkt (B) bis Punkt (D) von der Umgebungsluft der Vorrichtung gekühlt, verflüssigt und evtl. unterkühlt. Wie bei einem konventionellen Kühlkreislauf liegt die Kondensationstemperatur, bzw. der Druck der Strecken (2) und (3) oberhalb der Umgebungstemperatur, um die Wärme entsprechend abführen zu können. Das eingesetzte Kältemittel im Kreislauf (A-B-D-E) kann vom CO2-Hochdruckgas des Kreislaufes (G-H-K-L) verschieden sein, sodass eine Verflüssigung im subkritischen Bereich möglich ist. Im Kreislauf (A-B-D-E) kann auch ein Hochdruckkältemittel, wie z.B. CO2, eingesetzt werden, dass jedoch im transkritischen Bereich gekühlt und u.U. nicht verflüssigt wird. In diesem Fall würde der Punkt (D) im transkritischen Bereich liegen (nicht dargestellt). Das Kältemittel wird vom Punkt (D) auf Punkt (E) entspannt, d.h. bei konstanter Enthalpie expandiert. Dieses expandierte Kältemittel nimmt in einem Wärmetauscher (5) die Energie des ebenfalls expandierten Hochdruckkältemittels (7) auf, um dieses vom Punkt (L) auf Punkt (G) zu kühlen und zu verflüssigen. Das vom Punkt (F) bis Punkt (A) überhitzte Kältemittel wird wieder vom Verdichter (1) angesaugt. Um die Verdichtungsendtemperatur (B) bis oberhalb der Temperatur am Punkt (H) oder wahlweise auch am Punkt (K) zu erhöhen, mit welcher das Flüssiggas auf den Strecken (8) und (9) erwärmt werden kann, kann die Länge der Strecke (6) mit z.B. einem zusätzlichen Wärmetauscher verlängert werden. Bei größerer Überhitzung wird Punkt (A) und folglich auch Punkt (B) nach rechts verschoben. Die hierfür benötigte Wärmemenge kann der Umgebungsluft, oder einer anderen zur Verfügung stehenden Wärmequelle entzogen werden.
Der Kühlkreislauf (A-B-D-E) wird demnach für die Verflüssigung von CO2 (oder ähnlich) eingesetzt und sekundär auch für die Erwärmung von CO2 (Strecke 8), in Form einer Wärmerückgewinnung gemäß dem Prinzip einer Wärmepumpe verwendet.
- 3:
Darstellung des CO2-Kreislaufes (G-H-K-L) gemäß 2. Alternativ kann auch ein anderes Hochdruckgas eingesetzt werden. Das CO2 wird vom Kältekreislauf (4) im Verflüssiger (45) verflüssigt und im Sammler (43) angestaut und ggf. gemäß 4 unterkühlt. Das flüssige, unterkühlte CO2 wird mit Hilfe der Speisepumpe (20) dem Wärmetauscher (33) zugeführt, wo es von der Kondensationsenergie der Kälteanlage erwärmt und dadurch verdampft wird.
Das dampfförmige CO2 wird auf die Schaufelflächen der Hochdruckturbine (21) geleitet, wo es Antriebsarbeit verrichtet. Nach verrichteter Arbeit strömt das dampfförmige CO2 aus der Hochdruckturbine in den Wärmetauscher (66), in welchem das CO2 von der Kondensationsenergie der Wärmepumpe gemäß 5 erwärmt wird. Das CO2 wird vom Wärmetauscher (66) in die Zwischendruckturbine (22) und anschließend in die Niederdruckturbine (23) geleitet. Die Turbinen (21,22 und 23) treiben den Generator (24) an. Das CO2 wird aus der Niederdruckturbine (23) in den Verflüssiger (45) der Kälteanlage geleitet, wo es gemäß 4 wieder verflüssigt wird. Der CO2-Sammler (43) kann ebenfalls von der Kälteanlage, z.B. mittels einem innenliegenden Rohrbündelwärmetauscher gemäß 4 unterkühlt werden, um Kavitationen in der Speisepumpe (20) zu vermeiden.
- 4:
Darstellung des Kühlkreislaufes, bestehend aus einem Verdichter (42) mit Antrieb (43), Wärmetauscher (33), Verflüssiger (44), optionalen Wärmetauscher als Überhitzer (48), Verdampfer (45), CO2-Sammler mit Unterkühlungsverdampfer (43), Expansionsventile (46b und 49b), sowie diverse Magnetventile (46a, 49a, 47a, 47b und 39b).
Der Verdichter (42) saugt das verdampfte Kältemittel aus dem Verdampfer (45) ab und verdichtet es auf den Kondensationsdruck. Um die Verdichtungsendtemperatur (Punkt B, 2) zu erhöhen, kann der Überhitzungswärmetauscher (48) über die Magnetventile [47a (AUF) und 47b (ZU)] zugeschaltet werden, wodurch das bereits überhitzte Sauggas weitere Energie aus der Umgebungsluft aufnimmt. Die polytrope Verdichtung (Strecke 1, 2) wird im Druck-Enthalpie-Diagramm dadurch weiter nach rechts verschoben, um eine größere, nutzbare Enthalpie-Differenz (Strecke 2, 2) zu erhalten, die zur Erwärmung und Verdampfung der CO2-Flüssigkeit im Wärmetauscher (33) genutzt werden kann. Die Zuschaltung des Überhitzers (48) erfolgt, falls eine höhere Verdichtungstemperatur benötigt wird. Die Verdichtungswärme wird über den Wärmetauscher (33) an das CO2 abgegeben. Nach Abgabe der Wärmeenergie (Strecke 2, 2), wird das Kältemittel ggf. in den Verflüssiger (44) geleitet, wo die restliche Wärmemenge (Strecke 3, 2) an die Umgebungsluft abgegeben werden kann und das Kältemittel dadurch verflüssigt und ggf. unterkühlt wird (Punkt D, 2). Das verflüssigte Kältemittel wird über das Magnetventil (49a) und das Expansionsventil (49b) in den Wärmetauscher (43) des Sammlers entspannt, wo es die Wärmemenge der CO2-Flüssigkeit aufnimmt, welche dadurch unterkühlt wird. Der Wärmetauscher (45) ist Verdampfer des Kältemittels und Verflüssiger des CO2 zugleich. Flüssiges Kältemittel wird hierfür über das Magnetventil (46a) und das Expansionsventil (46b) in den Wärmetauscher im Behälter (45) entspannt, wodurch Wärmeenergie vom CO2 aufgenommen wird und dieses verflüssigt wird. Wird im Wärmetauscher (33) keine Energie benötigt, öffnet das Magnetventil (39b) den Bypass zum Verflüssiger (44).
- 5:
Darstellung des Wärmepumpenkreislaufes, der ausschließlich der Erwärmung von CO2, gemäß 3 dient. Der Verdichter (60) saugt das verdampfte Kältemittel aus dem Verdampfer (65) ab und verdichtet es auf den Kondensationsdruck. Der Verdampfer (65) kann die Wärmeenergie dem Erdreich, der Luft, dem Wasser oder anderen Wärmequellen entnehmen. Die Verdichtungswärme wird über den Wärmetauscher (66) an das dampfförmige CO2 abgegeben. Nach Abgabe der Wärmeenergie im Wärmetauscher (66), kann das Kältemittel über das Magnetventil (67) in den Verflüssiger (62) geleitet werden, wo die restliche Wärmemenge an die Umgebungsluft abgegeben wird und das Kältemittel dadurch verflüssigt und ggf. unterkühlt wird. Das verflüssigte Kältemittel wird über das Magnetventil (63) und das Expansionsventil (64) in den Verdampfer (65) entspannt, wo es die Wärmemenge aus der Umwelt aufnimmt.
