DE102019122087A1

DE102019122087A1 - Energierückgewinnungsanlage mit Koppelkreislauf

Info

Publication number: DE102019122087A1
Application number: DE102019122087.4A
Authority: DE
Inventors: Anmelder Gleich
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2019-08-16
Filing date: 2019-08-16
Publication date: 2021-02-18

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Energierückgewinnungsanlage für einen thermodynamischen Kreisprozess mit einer ersten und einer zweiten Wärmequelle unterschiedlichen Temperaturniveaus, einen Rankine-Prozess (ORC) mit einem organischen Arbeitsfluid, wobei in Strömungsrichtung des Arbeitsfluids ein erster Wärmetauscher, ein zweiter Wärmetauscher, eine Arbeitsmaschine, ein Verflüssiger, und eine Pumpe angeordnet sind, wobei der erste Wärmetauscher mit der ersten Wärmequelle und der zweite Wärmetauscher mit der zweiten Wärmequelle thermisch gekoppelt ist, und die erste Wärmequelle und der erste Wärmetauscher über einen ersten Koppelkreislauf mit einem ersten Kopplermedium indirekt thermisch gekoppelt sind. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zum Betrieb einer Energierückgewinnungsanlage.

Description

Die Erfindung betrifft eine Energierückgewinnungsanlage nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Die Erfindung betrifft außerdem ein Blockheizkraftwerk mit einer Energierückgewinnungsanlage und Verfahren zum Betrieb einer Energierückgewinnungsanlage.
Energierückgewinnungsanlagen werden eingesetzt, um Abwärme in eine nutzbare Energieform wie elektrische Energie zu transformieren. Dabei wird Abwärme, z.B. einer Verbrennungskraftmaschine, über einen Wärmetauscher in einen thermodynamischen Kreislauf eingespeist, in welchem ein Arbeitsfluid wie z.B. Wasser zyklisch verdampft, expandiert und kondensiert wird zur Gewinnung von mechanischer Arbeit. Die mechanische Arbeit wird zumeist über einen Generator in elektrische Energie transformiert. Derlei Prozesse sind als Rankine-Prozesse bekannt. Um Rankine-Prozesse auch bei niedrigen Temperaturen durchführen zu können, werden organische Arbeitsfluide mit einer gegenüber Wasser niedrigeren Verdampfungstemperatur eingesetzt. Bei Einsatz organischer Arbeitsfluide spricht man von organischen Rankine Prozessen (ORC - Organic Rankine Cycle).
Aus dem Stand der Technik ist es bekannt, mehrere Wärmequellen zur Erwärmung eines organischen Arbeitsfluids in einem ORC zu nutzen: Die Druckschrift EP 2 249 017 B1 zeigt einen Verbrennungsmotor mit einer Energierückgewinnungsanlage mit einer ersten als Kühlwasserstrom eines Verbrennungsmotors ausgebildeten Wärmequelle, einer als Verbrennungsgasstrom des Verbrennungsmotors ausgebildeten zweiten Wärmequelle, einem ORC-Kreislauf mit einem organischen Arbeitsfluid, wobei in Strömungsrichtung des Arbeitsfluids ein erster Wärmetauscher, ein zweiter Wärmetauscher, eine Arbeitsmaschine, ein Verflüssiger, und eine Pumpe angeordnet sind, wobei der erste Wärmetauscher mit der ersten Wärmequelle und der zweite Wärmetauscher mit der zweiten Wärmequelle thermisch gekoppelt ist. In dieser Energierückgewinnungsanlage wird das Arbeitsfluid über die erste Wärmquelle (Kühlwasser) erwärmt und anschließend über die zweite Wärmequelle (Verbrennungsgase des Verbrennungsmotors) verdampft. Um ein Erhitzen des Arbeitsfluids über eine zulässige Maximal-Temperatur (Zersetzungstemperatur) des Arbeitsfluids hinaus zu vermeiden, muss in einer solchen Energierückgewinnungsanlage die Durchflussrate des Arbeitsfluids bei steigender Temperatur der Wärmequellen kontinuierlich gesteigert werden. Ab einer bestimmten Durchflussrate sinkt dabei der Wirkungsgrad der Anlage in zunehmendem Maße.
Vor dem Hintergrund des angeführten Standes der Technik ist es Aufgabe der Erfindung, eine wirkungsgradoptimierte Energierückgewinnungsanlage und ein Blockheizkraftwerk, umfassend eine Energierückgewinnungsanlage, bereitzustellen. Die Aufgaben werden gelöst durch eine Energierückgewinnungsanlage mit den Merkmalen des Anspruchs 1 bzw. einem Blockheizkraftwerk gemäß Anspruch 11. Unter einem anderen Aspekt der Erfindung ist es Aufgabe, Verfahren zum vorteilhaften Betrieb einer solchen Anlage anzugeben. Die Aufgabe wird gelöst durch Verfahren nach Anspruch 12 und 15.
Vorteilhafte Weiterentwicklungen und weitere Merkmale ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Erfindungsgemäß wird eine Energierückgewinnungsanlage (Anlage) mit einer ersten Wärmequelle und einer zweiten Wärmequelle mit unterschiedlichen Temperaturniveaus bereitgestellt. Die Anlage umfasst einen ORC-Kreislauf mit einem organischen Arbeitsfluid, wobei in Strömungsrichtung des Arbeitsfluids ein erster Wärmetauscher, ein zweiter Wärmetauscher, eine Arbeitsmaschine, ein Verflüssiger, und eine Pumpe angeordnet sind. Der erste Wärmetauscher ist mit der ersten Wärmequelle und der zweite Wärmetauscher ist mit der zweiten Wärmequelle thermisch gekoppelt. Die Anlage weist einen ersten Koppelkreislauf mit einem ersten Kopplermedium auf, der die erste Wärmequelle und den ersten Wärmetauscher thermisch indirekt koppelt. Das erste Kopplermedium wird dabei durch eine Pumpvorrichtung im Koppelkreislauf bewegt bzw. umgewälzt.
Durch den ersten Koppelkreislauf kann der Wärmeeintrag von der ersten Wärmequelle in den ORC-Kreislauf und optional auch das Temperaturniveau des Wärmeeintrags beeinflusst werden.. Durch den ersten Koppelkreislauf können außerdem Temperaturspitzen der ersten Wärmequelle nivelliert werden. Dadurch kann z.B. eine Überhitzung des Arbeitsfluids vermieden werden, ohne eine Durchflussrate des Arbeitsfluids im ORC-Kreislauf verändern zu müssen.
In einer vorteilhaften Weiterentwicklung umfasst die Anlage einen zweiten Koppelkreislauf mit einem zweiten Kopplermedium, welcher die zweite Wärmequelle und den zweiten Wärmetauscher thermisch indirekt koppelt. Das zweite Kopplermedium wird dabei durch eine Pumpvorrichtung im zweiten Koppelkreislauf bewegt. Durch den Koppelkreislauf können Temperaturspitzen infolge von Temperaturschwankungen der zweiten Wärmequelle nivelliert werden.
Durch Koppelkreisläufe kann auch das Temperaturniveau für einen Wärmeübertrag in einem Wärmetauscher eingestellt werden.
Vorteilhaft ist erstes und/oder zweites Kopplermedium im Wesentlichen Wasser. Aufgrund der Nichtbrennbarkeit von Wasser kann ungewolltes Entzünden eines Kopplermediums beim Betrieb einer erfindungsgemäßen Anlage als Gefahrenquelle ausgeschaltet werden. Möglich ist jedoch auch die Verwendung eines Thermoöls oder eines anderen flüssigen Wärmeleitmittels.
In einer vorteilhaften Ausführungsform weisen der oder die Koppelkreisläufe eine regelbare Durchflussrate des jeweiligen Kopplermediums auf. Dies kann beispielsweise mithilfe einer steuerbaren Pumpeinrichtung erfolgen. Dadurch kann der Energieeintrag von einer Wärmequelle in den ORC-Kreislauf bedarfsgerecht gesteuert werden. Insbesondere kann der Energieeintrag der ersten Wärmequelle in den ORC-Kreislauf und/oder der Energieeintrag der zweiten Wärmequelle in den ORC-Kreislauf bedarfsgerecht gesteuert werden. Insbesondere kann die Durchflussrate des ORC-Kreislaufs dadurch wirkungsgradoptimal eingestellt werden.
Die Durchflussrate des Arbeitsfluids im ORC-Kreislauf kann regelbar ausgestaltet sein.
Die Steuerung der jeweiligen Durchflussraten kann abhängig voneinander oder unabhängig voneinander erfolgen.
In einigen vorteilhaften Weiterentwicklungen können neben erster und zweiter Wärmequelle noch weitere Wärmequellen thermisch direkt oder auch indirekt über jeweils einen weiteren Koppelkreislauf in den ORC-Kreislauf eingekoppelt.
In einer Ausführungsform ist die erste Wärmequelle als Kühlwasserkreislauf eines Wärmeproduzenten, insbesondere einer Kraftmaschine, ausgebildet. Durch die Einbindung des Kühlwassers in eine Energierückgewinnungsanlage kann der Wirkungsgrad des Anlagenverbundes weiter verbessert werden.
Vorteilhaft weist der Koppelkreislauf drei Wärmetauscher und eine Pumpe auf, wobei ein erster Wärmetauscher mit der ersten Wärmquelle, ein zweiter Wärmetauscher mit dem ORC-Kreislauf und ein dritter Wärmetauscher mit einer Wärmesenke, insbesondere einem Niedertemperatur-Heizkreis, thermisch verbunden ist.
In einer Ausführungsform kann der Kühlwasserkreislauf zwei Wärmetauscher und eine regelbare oder nicht-regelbare Pumpe umfassen, wobei ein Wärmetauscher mit dem ersten Koppelkreislauf und ein Wärmetauscher mit einer Wärmesenke, insbesondere einem Niedertemperatur-Heizkreis, thermisch verbunden ist.
Damit kann die Abwärme des Kühlwasserkreislaufs je nach Bedarf z.B. zur vorzugsweisen Erzeugung von Heißwasser über einen Niedertemperatur-Heizkreis im Winter oder zur mittelbaren Erhitzung des Arbeitsfluids im ORC-Kreislauf (und somit zur Stromerzeugung) im Sommer eingesetzt werden.
Der Kühlwasserkreislauf kann auch weitere Wärmesenken wie z.B. einen Luftkühler aufweisen.
Vorteilhaft ist die zweite Wärmequelle der Anlage ein Abgasstrom eines Wärmeproduzenten, insbesondere einer Kraftmaschine. Durch die Einbindung des Abgasstroms in eine Energierückgewinnungsanlage kann der Wirkungsgrad des Anlageverbundes verbessert werden.
In einer Ausführungsform sind erste und zweite Wärmequelle Abwärmequellen desselben Wärmeproduzenten. In anderen Ausführungsformen können die Abwärmequellen jedoch auch von unterschiedlichen Wärmeproduzenten stammen.
Vorzugsweise weist der Verflüssiger des ORC-Kreislaufs der Anlage eine regelbare Kühlung auf. Insbesondere kann die regelbare Kühlung einen regelbaren Luftkühler und optional eine verstellbare Blende umfassen, die den auf den Verflüssiger gerichteten Luftstrom des Luftkühlers zumindest partiell verdeckt bzw. verdecken kann. Dadurch kann eine Unterkühlung des Arbeitsfluids vorteilhaft eingestellt werden. Insbesondere kann dadurch eine Kavitationsneigung im Saugbereich der Pumpe des ORC-Kreislaufs verringert werden.
In einer vorteilhaften Ausbildung ist die Arbeitsmaschine der Anlage als Turbine, in welcher das Arbeitsfluid unter Abgabe von mechanischer Arbeit expandiert, zum Antrieb eines Generators ausgebildet. Der Generator kann an ein Stromnetz oder eine Speichereinheit zur Abgabe der erzeugten elektrischen Energie angebunden sein.
Die Erfindung umfasst auch ein Blockheizkraftwerk mit einer vorbeschriebenen Energierückgewinnungsanlage. Das Blockheizkraftwerk umfasst dabei eine Verbrennungsmaschine zum Antrieb eines (primären) Stromerzeugers, wobei die Verbrennungskraftmaschine als Wärmeproduzent zum Antrieb der vorbeschriebenen Energierückgewinnungsanlage ausgebildet ist.
Unter Blockheizkraftwerk ist eine stationäre Energieerzeugungsanlage zu verstehen auf Basis einer Verbrennungskraftmaschine und eines an die Verbrennungskraftmaschine angeschlossenen Stromerzeugers zur verbrauchsnahen/lokalen Erzeugung von Strom und gegebenenfalls Wärme, typischerweise im Bereich von 100kW bis 2MW, für eine gewerblich oder nicht-gewerblich genutzte Immobilie oder einen Immobilienkomplex.
Unter einem anderen Aspekt der Erfindung umfasst die Erfindung auch Verfahren zum Betreiben einer vorbeschriebenen Energierückgewinnungsanlage.
In einem Verfahren sind die Durchflussraten der thermisch aktiven Kreisläufe unabhängig voneinander geregelt. Durch eine unabhängige Regelung sind einfache und robuste Regelungsalgorithmen möglich. Die Regelung bzw. Regelungsalgorithmen können bspw. dezentral in separaten Verarbeitungseinrichtungen oder zentral in einer gemeinsamen Verarbeitungseinrichtung organisiert sein.Dies bedeutet, dass die Pumpen der genannten Kreisläufe voneinander unabhängige Regler aufweisen.
Die Regelung der Durchflussraten von Kreisläufen und die Regelung der Pumpleistung der jeweiligen Pumpen in den jeweiligen Kreisläufen ist im Sinne dieser Schrift als gleichbedeutend anzusehen.
Unter thermisch aktiven Kreisläufen sind Kreisläufe zu verstehen, deren wesentliche Eigenschaft die Übertragung von Wärme bzw. Wärmetransport ist. Unter thermisch aktivem Kreislauf im Sinne dieser Patentschrift sind zumindest ein ORC-Kreislauf und Koppelkreisläufe zu verstehen. Optional sind auch weitere Kreisläufen wie etwa ein Kühlwasserkreislauf einer Verbrennungsmaschine unter dem Begriff „thermisch aktiver Kreislauf‟ subsumierbar.
Die Pumpleistung der Pumpe des ORC-Kreislaufs kann eine Funktion der Heißtemperatur des Arbeitsfluids des ORC-Kreislaufs und die Durchflussrate der Pumpe des ersten Koppelkreislaufs eine Funktion der Heißtemperatur des ersten Koppelkreislaufs sein.
In einer besonders vorteilhaften Ausführung ist die Pumpleistung der Pumpe des ORC-Kreislaufs eine alleinige Funktion der Heißtemperatur des Arbeitsfluids des ORC-Kreislaufs und die Pumpleistung der Pumpe des ersten Koppelkreislaufs eine alleinige Funktion der Heißtemperatur des ersten Koppelkreislaufs. Dadurch können ein besonders einfacher Aufbau und ein einfacher Betrieb der Anlage realisiert werden.
Erfindungsgemäß kann die Pumpleistung der Pumpe des zweiten Koppelkreislaufs eine vorzugsweise alleinige Funktion der Heißtemperatur des zweiten Koppelkreislaufs sein.
In einer vorteilhaften Weiterentwicklung sind alle Durchflussraten der Pumpen der thermisch aktiven Kreisläufe eine alleinige Funktion der jeweiligen Heißtemperatur. In anderen Worten: Die Pumpleistung der jeweiligen Pumpen wird so geregelt, dass in jedem thermisch aktiven Kreislauf eine vorab definierte Heißtemperatur erreicht bzw. gehalten wird. Dadurch kann ein wirkungsgradoptimaler Betriebspunkt unabhängig vom schwankenden Wärmeinhalt der einzelnen Wärmequellen eingestellt werden. Dies bedeutet, dass die Pumpen der genannten Kreisläufe voneinander unabhängige Regler aufweisen und diese Regler einem entsprechenden Temperatursensor zur Erfassung der Heißtemperatur des entsprechenden Kreislaufes zugeordnet sind.
Unter Heißtemperatur ist die höchste Temperatur innerhalb eines thermisch aktiven Kreislaufes zu verstehen. Die Heißtemperatur wird typischerweise unmittelbar im oder kurz hinter einem zugehörigen Wärmetauscher gemessen.
In einem vorteilhaften Verfahren sind die Komponenten der Energierückgewinnungsanlage derart geregelt, dass sich die Heißtemperatur des ORC-Kreislaufs zumindest im Wesentlichen in Grenznähe der zulässigen Betriebs- bzw. Zersetzungstemperatur des organischen Arbeitsfluids befindet. Dabei kann die Durchflussrate des ersten Koppelmediums derart geregelt sein, dass eine definierte Heißtemperatur im ersten Koppelkreislauf vorliegt. Gleichzeitig kann die Durchflussrate des Arbeitsfluids im ORC-Kreislauf derart geregelt sein, insbesondere nur anhand der Heißtemperatur des ORC-Kreislaufs, dass eine definierte Heißtemperatur im ORC-Kreislauf vorliegt. Dadurch kann eine maximale Wärmeübertragung von der zweiten Wärmequelle auf den ORC-Kreislauf realisiert werden.
In einem vorteilhaften Verfahren sind die Komponenten der Energierückgewinnungsanlage derart geregelt, dass im Wesentlichen ein maximaler Wärmeinhalt aus der zweiten Wärmequelle auf das Arbeitsfluid bei minimaler Durchflussrate des Arbeitsfluids übertragen wird. Vorteilhaft ist dabei die Pumpleistung der Pumpe des ersten Koppelkreislaufs derart geregelt, dass das Arbeitsfluid nach Passage des dazugehörigen Wärmetauschers eine verbleibende Wärmeaufnahmefähigkeit aufweist, die ausreichend ist, um den maximalen Wärmeinhalt aus der zweiten Wärmequelle aufnehmen zu können. In anderen Worten wird der von der ersten Wärmequelle zur Verfügung stehende und potentiell übertragbare Wärmeinhalt nicht vollständig ausgeschöpft, sondern der Wärmeübertrag von der ersten Wärmequelle auf den ORC-Kreislauf über den ersten Koppelkreislauf so reduziert, dass das Arbeitsfluid den maximalen Wärmeinhalt aus der zweiten Wärmequelle aufnehmen kann, ohne dabei die Durchflussrate des Arbeitsfluids über die optimale Durchflussrate hinaus zu erhöhen.
Die optimale Durchflussrate des Arbeitsfluids ist die Durchflussrate, bei welcher ein maximaler Wärmeübertrag bei einem Temperaturmaximum erfolgt. Die optimale Durchflussrate stellt ein Durchlflussraten-Minimum bei gegebener Wärmeleistung bzw. bei gegebener Wärmeübertragung dar. Die optimale Durchflussrate ergibt sich aus den thermodynamischen Gesetzmäßigkeiten, insbesondere der thermischen Leistung (Wärmeübertragung) als Produkt von Massenstrom und Enthalpiedifferenz.
In einem vorteilhaften Verfahren zum Betrieb einer Energierückgewinnungsanlage weist der Verflüssiger des ORC-Kreislaufs eine regelbare Kühlung zur Verflüssigung und Unterkühlung des Arbeitsfluids auf umfassend einen Ventilator, einen Ventilatorregler, eine verstellbare Blende und einen Blendenregler, wobei die Kühlleistung in Abhängigkeit der Außentemperatur und des Arbeitsfluiddrucks am Ausgang des Verflüssigers geregelt wird. In anderen Worten: Die Kühlung weist Regler auf, welche zur Regelung der Kühlleistung einem Temperatursensor der Außentemperatur und einem Drucksensor zur Messung des Drucks des Arbeitsfluiddrucks am Ausgang des Verflüssigers zugeordnet sind.
Selbstverständlich schließen sich vorbeschriebene Verfahren gegenseitig nicht aus, so dass eine Kombination einzelner oder auch aller vorbenannter Verfahren möglich ist.

1 zeigt das Schema eines ersten erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiels mit einem Koppelkreislauf.
2 zeigt das Schema eines zweiten erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiels mit zwei Koppelkreisläufen.
3 zeigt eine erfindungsgemäße Detailansicht eines Verflüssigers mit geregelter Kühlung.
4 zeigt das Schema eines dritten erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiels mit einem Koppelkreislauf.
5 zeigt das Schema eines vierten erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiels mit zwei Koppelkreisläufen.

In 1 ist eine erfindungsgemäße Energierückgewinnungsanlage (Anlage) im Anlagenverbund mit einem Blockheizkraftwerk gezeigt. Das Blockheizkraftwerk umfasst eine hier als Biogasmotor ausgebildete Verbrennungskraftmaschine 1, die mit einem nicht dargestellten Stromerzeuger mechanisch verbunden ist. Die Verbrennungsmaschine 1 besitzt einen Kühlwasserkreislauf (KW) zur Kühlung der Verbrennungskraftmaschine und einen Abgasstrang zur Ableitung der während der Verbrennung anfallenden Abgase. Abgasstrom und Kühlwasserkreislauf (KW) bzw. Kühlwasserstrom bilden zwei Wärmequellen Q1 bzw. Q2 unterschiedlichen Temperaturniveaus aus, wobei in eingelaufenem Zustand der Verbrennungsmaschine die Kühlwassertemperatur bei ca. 80°C (Niedertemperatur) und die Abgastemperatur bei ca. 450 bis 500°C (Mitteltemperatur) liegt. Die Anlage ist thermisch mit beiden Wärmequellen Q1 und Q2 verbunden.
Die Anlage umfasst einen ORC-Kreislauf O mit einem organischen Arbeitsfluid, welcher in Fließrichtung des Arbeitsfluids gesehen, einen ersten Wärmetauscher 4, einen zweiten Wärmetauscher 2, eine Kraftmaschine 10 und eine Pumpe 9 umfasst. Der ORC-Kreislauf umfasst weiterhin einen regelbaren bzw. geregelten Verflüssiger 5. Der erste Wärmetauscher 4 bzw. das Arbeitsfluid ist über einen ersten Koppelkreislauf K1 mittelbar mit einer ersten Wärmequelle Q1 verbunden. Im ersten Koppelkreislauf zirkuliert ein Wärmeübertragungsfluid, z.B. ein Thermoöl oder Wasser. Der zweite Wärmetauscher 2 bzw. das Arbeitsfluid ist thermisch unmittelbar mit einer zweiten Wärmequelle Q2 verbunden.
Die erste Wärmequelle bildet der Kühlwasserkreislauf KW der Verbrennungskraftmaschine 1. Der Kühlwasserkreislauf dient der Kühlung bzw. Temperierung der Verbrennungskraftmaschine 1. Der Kühlwasserkreislauf KW umfasst einen ersten Wärmetauscher 3 und einen zweiten Wärmetauscher 6 sowie eine Kühlwasserpumpe 7. Der erste Wärmetauscher ist mit dem Koppelkreislauf 1 verbunden, so dass Wärmeenergie des Kühlwasserkreislaufs KW auf den Koppelkreislauf K1 übertragen werden kann. Der zweite Wärmetauscher 6 ist mit einer in den Zeichnungen nicht dargestellten Niedertemperatur-Heizkreis verbunden, so dass Wärmeenergie vom Kühlwasserkreislauf auf den Niedertemperatur-Heizkreis übertragen werden kann.
Die zweite Wärmequelle Q2 bildet der Abgasstrom der Verbrennungskraftmaschine 1. Der Abgasstrom ist thermisch über den Wärmetauscher 2 in den ORC-Kreislauf O eingekoppelt.
Das organische Arbeitsfluid wird von der Pumpe 9 im ORC-Kreislauf O zyklisch umgewälzt, so dass das Arbeitsfluid über den ersten Wärmetauscher 4 vorgewärmt und über den zweiten Wärmetauscher 2 verdampft und überhitzt wird. In der sich anschließenden Turbine 10 expandiert das gasförmige Arbeitsfluid unter Abgabe von mechanischer Arbeit. Die Turbine treibt einen Generator 11 zur Erzeugung von Strom an. Nach Expansion wird das Arbeitsfluid im Verflüssiger 5 durch Kühlung von der Gasphase in die Flüssigphase verflüssigt. Der Verflüssiger 5 umfasst einen Ventilator 20, dessen Leistung von einem Ventilator-Regler 18 geregelt ist.
Die Durchflussraten bzw. der Massenstrom der jeweiligen Kreisläufe ist über die Pumpleistung der jeweiligen Pumpen 8 bzw. 9 geregelt. Die Pumpen 8 und 9 weisen hierzu einen Pumpenregler 12 bzw. 19 auf.
In den thermisch aktiven Kreisläufen K1 und O sind Sensoren 14, 17, 21, 15, 16 verbaut. Die Sensoren 14 und 17 messen Druck und Temperatur des Arbeitsfluids in der Heißphase, d.h. unmittelbar nach Austritt aus dem Wärmetauscher 2. Der Drucksensor 21 misst den Druck am Ausgang des Verflüssigers. Die Sensoren 15, 16 messen Druck und Temperatur im ersten Koppelkreislauf K1 in der Heißphase, d.h. am Austritt des Wärmetauschers 3. Zusätzlich ist ein Sensor 13 zur Messung der Abgastemperatur verbaut.
Der Betrieb des Anlagenverbundes aus Blockheizkraftwerk und Energierückgewinnungsanlage ist in einer Betriebsweise derart, dass die Verbrennungskraftmaschine 1 wirkungsgradoptimal zur Erzeugung von Energie gesteuert wird bzw. ist. Im eingelaufenen Zustand der Verbrennungskraftmaschine 1 liegt damit eine näherungsweise konstante Abgastemperatur sowie eine näherungsweise konstante Wärmeabgabe im Kühlwasserkreislauf KW vor. Die Durchflussrate des Kühlwasserkreislaufs bzw. die Pumpleistung der Pumpe 7 ist geregelt anhand eines in den Zeichnungen nicht dargestellten Temperatursensors in der Verbrennungskraftmaschine 1. Der Wärmeentzug aus dem Kühlwasserkreislauf KW in den Heißwasserkreis über den Wärmetauscher 6 ist anhand des Heißwasserbedarfs gesteuert, so dass je nach Heißwasserbedarf die Temperatur am Ausgang des Wärmetauschers 6 variieren kann. Über einen nicht dargestellten Kühler wird das Kühlwasser des Kühlwasserkreislaufs KW vor Eintritt in die Verbrennungskraftmaschine 1 auf eine definierte Einlauf-Temperatur temperiert.
Der Wärmeentzug bzw. der Wärmeübertrag vom Kühlwasserkreislauf KW auf den ersten Koppelkreislauf K1 über den Wärmetauscher 3 wird anhand der Heißtemperatur bzw. dem Temperatursensor 15 des Koppelkreislaufs K1 gesteuert, so dass die Pumpleistung der Pumpe 8 durch den Regler 12 erhöht wird, wenn die Heißtemperatur 15 über einen Sollwert steigt und die Pumpleistung der Pumpe 8 verringert wird, wenn die Heißtemperatur 15 unter einen Sollwert sinkt. Damit kann am Wärmetauscher 4 ein definierter Wärmeinhalt auf einem definierten Wärmeniveau bereitgestellt werden.
Die Durchflussrate des Arbeitsfluids im ORC-Kreislauf wird über den Regler 19 anhand der Pumpleistung der Pumpe 9 gesteuert. Der Regler 19 regelt die Pumpleistung dabei anhand der Heißtemperatur des ORC-Kreislaufs, d.h. der vom Temperatursensor 14 gemessenen Temperatur des Arbeitsfluids. Wenn die Heißtemperatur 14 über einen Sollwert steigt, wird die Pumpleistung der Pumpe 9 durch den Regler 19 erhöht, so dass die Durchflussrate bzw. der Massenstrom des Arbeitsfluids erhöht wird und der spezifische Wärmeintrag insbesondere im Wärmetauscher 2 entsprechend verringert wird mit der Folge, dass die Heißtemperatur 14 sinkt. Im umgekehrten Fall, wenn die Heißtemperatur unter einen Sollwert fällt, wird die Pumpleistung der Pumpe 9 verringert, so dass die Durchflussrate bzw. der Massenstrom sinkt und damit der spezifische Wärmeintrag steigt mit der Folge, dass die Heißtemperatur 14 des Arbeitsfluids steigt.
Die Solltemperatur entspricht dabei der maximal zulässigen Temperatur des Arbeitsfluids abzüglich einer Sicherheitsmarge. Durch den wohldefinierten Wärmeinhalt des Arbeitsfluids in der Heißphase, d.h. am Ausgang des Wärmetauschers 2, ist eine wirkungsgradoptimale Energierückgewinnung durch die Turbinen-Generator-Einheit 10, 11 möglich. Durch den Betrieb in Grenznähe der maximal zulässigen Temperatur des Arbeitsfluids kann außerdem der Wirkungsgrad des Anlagenverbundes aus Verbrennungskraftmaschine 1 und Energierückgewinnungsanlage gesteigert werden.
Um eine minimale Durchflussrate des Arbeitsfluids im ORC-Kreislauf O bei maximaler Wärmeaufnahme aus dem Abgasstrom bzw. der zweiten Wärmequelle Q2 zu erreichen, ist der Wärmeübertrag bzw. -eintrag vom Kühlwasserkreislauf KW bzw. erster Wärmequelle Q1 auf das Arbeitsfluid des ORC-Kreislaufs über den Koppelkreislauf K1 derart reduziert, dass das Arbeitsfluid nach Passage des dazugehörigen Wärmetauschers 4 eine verbleibende Wärmeaufnahmefähigkeit aufweist, die ausreichend ist, um den maximalen Wärmeinhalt aus der zweiten Wärmequelle Q2 aufnehmen zu können. Die Temperatur des Koppelkreislaufs K1 ist dabei möglichst nahe an der Heißtemperatur des Kühlwasserkreislaufs geführt.. Insbesondere ist der Sollwert der Heißphase des ersten Koppelkreislaufs K1 unter Abzug einer technisch notwendigen Differenz näherungsweise identisch mit der Temperatur des Kühlwasserkreislaufs KW. Die technisch notwendige Differenz beläuft sich dabei z.B. auf 1 bis 3 °C. Dadurch kann eine Vortemperierung des Arbeitsfluids im ORC-Kreislauf bei maximalem Temperaturniveau erreicht werden.
Das durch die Turbine 10 expandierte Arbeitsfluid wird im Verflüssiger 5 verflüssigt, wobei der Verflüssiger eine Luftkühlung in Form eines Ventilators 20 mit einer Regelung 18 aufweist. Der Regler 18 ist druckgeregelt anhand des Drucksensors 21, so dass der Regler die Kühlleistung erhöht, wenn der Druck über einem Sollwert liegt und die Kühlleistung verringert, wenn der Druck unter einem Sollwert liegt. In die Regelung des Ventilators kann als weiterer Parameter die Außentemperatur mit einfließen.
Die Temperaturmessung des Abgasstroms über Temperatursensor 13 erfolgt allein zu Kontrollzwecken. Die Abgastemperatur hat keinen unmittelbaren Einfluss auf die Regelung der Anlage.
2 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Energierückgewinnungsanlage. Das zweite Ausführungsbespiel unterscheidet sich vom ersten Ausführungsbeispiel lediglich darin, dass zusätzlich ein zweiter Koppelkreislauf K2 vorhanden ist. Für sonst gleiche oder vergleichbare Komponenten mit gleichen oder vergleichbaren Funktionen wird auf die Erläuterungen zum ersten Ausführungsbeispiel verwiesen. Vergleichbare Komponenten weisen dieselben Bezugszeichen auf.
Der zweite Koppelkreislauf K2 koppelt den Abgasstrom, also die zweite Wärmequelle Q2, und den ORC-Kreislauf O thermisch. Der zweite Koppelkreislauf weist hierzu einen mit dem Abgasstrom in Verbindung stehenden ersten Wärmetauscher 2 und einen mit dem ORC-Kreislauf in Verbindung stehenden zweiten Wärmetauscher 22 auf. Das im Koppelkreislauf zirkulierende Fluid, hier im Wesentlichen Wasser, wird von einer Pumpe 25 mit einem Pumpenregler 26 umgewälzt. Im zweiten Koppelkreislauf sind außerdem ein Drucksensor 23 und ein Temperatursensor 24 zur Bestimmung der Heißtemperatur des Koppelkreislaufs K2 vorhanden.
Analog dem ersten Ausführungsbeispiel ist neben dem ORC-Kreislauf O und dem ersten Koppelkreislauf K1 auch der zweite Koppelkreislauf K2 temperaturgeregelt anhand der Heißtemperatur des jeweiligen Kreislaufes. Im Fall des zweiten Koppelkreislaufs K2 bedeutet dies, dass die Durchflussrate des zweiten Koppelkreislaufs durch Erhöhung der Pumpleistung der Pumpe 25 durch den Regler 26 gesteigert wird, wenn die Heißtemperatur des Koppelkreislaufs K2, gemessen vom Temperatursensor 24, über einen definierten Sollwert steigt. Falls die Heißtemperatur des zweiten Koppelkreislaufs unter einen Sollwert fällt, wird die Pumpleistung der Pumpe 25 entsprechend verringert. Durch den zweiten Koppelkreislauf kann der Wärmeeintrag aus der zweiten Wärmquelle Q2 in den ORC-Kreislauf O vorteilhaft gesteuert werden, insbesondere derart, dass der Wärmequelle Q2 bzw. dem Abgasstrom ein maximaler Wärmeinhalt entzogen werden kann. Mit zwei indirekt über Koppelkreisläufe thermisch in einen ORC-Kreislauf eingekoppelte Wärmequellen kann der Energieeintrag aus den einzelnen Wärmequellen in den ORC-Kreislauf bedarfsgerecht geregelt werden. In dem hier beispielhaft vorgestellten Betriebsverfahren ist die Anlage bedarfsgerecht anhand eines Wirkungsgradoptimums durch ein definiertes Temperaturniveau der jeweiligen Heißphase geregelt. Andere Betriebsarten sind jedoch möglich.
3 zeigt eine vorteilhafte Ausgestaltung eines Verflüssigers 5 nach einem der vorhergehenden Beispiele. Der Verflüssiger 5 weist eine Luftkühlung umfassend einen durch Regler 18 geregelten Ventilator 20 und zusätzlich eine verstellbare Blende 27 mit einem Blendenregler auf. Die Blende unterbindet ein unmittelbares Auftreffen des durch den Ventilator erzeugten Luftstroms auf dem Kondensator. Durch die Blende 27 kann eine Kondensationszone A und eine Unterkühlungszone B im Verflüssiger 5 vorteilhaft eingestellt werden. Je nach Stellung der Blende kann die Unterkühlungszone B vergrößert oder verkleinert werden.
4 und 5 zeigen ein drittes bzw. viertes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Energierückgewinnungsanlage 1. Das dritte bzw. vierte Ausführungsbeispiel unterscheidet sich vom ersten Ausführungsbeispiel bzw. zweiten Ausführungsbeispiel darin, dass ein mit einem Niedertemperatur-Heizkreis verbundener Wärmetauscher 6' nicht im Kühlwasserkreislauf KW der Verbrennungskraftmaschine 1 (vgl. Wärmetauscher 6 in 1 bzw. 2), sondern im ersten Koppelkreislauf K1 angeordnet ist. Dadurch können gängige Verbrennungskraftmaschinen mit bereits vorhandenen Kühlwasserkreisläufen in eine Energierückgewinnungsanlage integriert werden, ohne dass dazu aufwendige Anpassungen an der Verbrennungskraftmaschine durch Erweiterung des Kühlwasserkreislaufs um einen Wärmetauscher 6 oder ein Eingriff in die Steuerung des Kühlwasserkreislaufs notwendig sind.
Bezugszeichenliste

A: Kondensationszone
B: Unterkühlungszone
1: Motor
2: Wärmetauscher (Abgas)
3: Wärmetauscher (Kühlwasserkreislauf)
4: Wärmetauscher (erster Koppelkreislauf)
5: Verflüssiger
6: Wärmetauscher (Niedertemperatur-Heizkreis)
6': Wärmetauscher (Niedertemperatur-Heizkreis)
7: Pumpe (Kühlwasserkreislauf)
8: Pumpe (erster Koppelkreislauf)
9: Pumpe (ORC-Kreislauf)
10: Arbeitsmaschine (Turbine)
11: Generator
12: Pumpenregler (erster Koppelkreislauf)
13: Temperatursensor (Abgas)
14: Temperatursensor (Arbeitsfluid)
15: Temperatursensor (erster Koppelkreislauf)
16: Drucksensor (erster Koppelkreislauf)
17: Drucksensor (Arbeitsfluid)
18: Regler Ventilator
19: Pumpenregler (ORC-Kreislauf)
20: Ventilator
21: Drucksensor (Arbeitsfluid flüssig)
22: Wärmetauscher
23: Drucksensor (zweiter Koppelkreislauf)
24: Temperatursensor (zweiter Koppelkreislauf)
25: Pumpe (zweiter Koppelkreislauf)
26: Pumpenregler (zweiter Koppelkreislauf)
27: Blende
28: Blendenregler

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 2249017 B1 [0003]

Claims

Energierückgewinnungsanlage für einen thermodynamischen Kreisprozess umfassend - eine erste und eine zweite Wärmequelle (Q1 bzw. Q2) unterschiedlichen Temperaturniveaus, - einen ORC-Kreislauf (O) mit einem organischen Arbeitsfluid, wobei in Strömungsrichtung des Arbeitsfluids ein erster Wärmetauscher (4), ein zweiter Wärmetauscher (2,22), eine Arbeitsmaschine (10), ein Verflüssiger (5), und eine Pumpe (9) angeordnet sind, - wobei der erste Wärmetauscher (4) mit der ersten Wärmequelle (Q1) und der zweite Wärmetauscher (2,22) mit der zweiten Wärmequelle (Q2) thermisch gekoppelt ist, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Wärmequelle (Q1) und der erste Wärmetauscher (4) über einen ersten Koppelkreislauf (K1) mit einem ersten Kopplermedium indirekt thermisch gekoppelt sind.
Energierückgewinnungsanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Wärmequelle (Q2) und der zweite Wärmetauscher (2,22) über einen zweiten Koppelkreislauf (K2) mit einem zweiten Kopplermedium indirekt thermisch gekoppelt sind.
Energierückgewinnungsanlage nach einem der vorherstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das erste und/oder zweite Kopplermedium im Wesentlichen Wasser ist.
Energierückgewinnungsanlage nach einem der vorherstehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass der erste und/oder zweite Koppelkreislauf (K1 bzw. K2) eine regelbare Durchflussrate des ersten bzw. zweiten Kopplermediums und/oder der ORC-Kreislauf (O) eine regelbare Durchflussrate des organischen Arbeitsfluids aufweisen.
Energierückgewinnungsanlage einem der vorherstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Wärmequelle (Q1) einen Kühlwasserkreislauf (KW) eines Wärmeproduzenten, insbesondere einer Kraftmaschine (1), darstellt.
Energierückgewinnungsanlage nach einem der vorherstehenden Ansprüche, dass der erste Koppelkreislauf (K1) drei Wärmetauscher (3,4,6') und eine Pumpe (8) umfasst, wobei ein erster Wärmetauscher (3) mit der ersten Wärmquelle (Q1), ein zweiter Wärmetauscher (4) mit dem ORC-Kreislauf (O) und ein dritter Wärmetauscher (6') mit einer Wärmesenke, insbesondere einem Niedertemperatur-Heizkreis, thermisch verbunden ist.
Energierückgewinnungsanlage nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlwasserkreislauf (KW) zwei Wärmetauscher (3,6) und eine Pumpe (7) umfasst, wobei ein Wärmetauscher (3) mit dem ersten Koppelkreislauf (K1) und ein Wärmetauscher (6) mit einer Wärmesenke, insbesondere einem Niedertemperatur-Heizkreis, thermisch verbunden ist.
Energierückgewinnungsanlage nach einem der vorherstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Wärmequelle (Q2) einen Abgasstrom eines Wärmeproduzenten, insbesondere einer Kraftmaschine (1), darstellt.
Energierückgewinnungsanlage einem der vorherstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Verflüssiger (5) des ORC-Kreislaufs (O) eine regelbare Kühlung (18,20,21) aufweist.
Energierückgewinnungsanlage nach einem der vorherstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Arbeitsmaschine (10) als Turbine zum Antrieb eines Generators (11) ausgebildet ist.
Blockheizkraftwerk mit einer Energierückgewinnungsanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche mit einem Stromerzeuger, der von einem als Verbrennungskraftmaschine ausgestalteten Wärmeproduzenten angetrieben ist.
Verfahren zum Betrieb einer Energierückgewinnungsanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Pumpen (7, 8, 9, 25) der thermisch aktiven Kreisläufe (KW, ORC, K1, K2) unabhängig voneinander geregelt sind.
Verfahren zum Betrieb einer Energierückgewinnungsanlage nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Pumpleistung der Pumpe (9) des ORC-Kreislaufs eine Funktion der Heißtemperatur (14) des Arbeitsfluids des ORC-Kreislaufs ist, und dass die Pumpleistung der Pumpe (8) des ersten Koppelkreislaufs (K1) eine Funktion der Heißtemperatur (15) des ersten Koppelkreislaufs (15) ist.
Verfahren zum Betrieb einer Energierückgewinnungsanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Pumpleistung der Pumpe (25) des zweiten Koppelkreislaufs eine Funktion der Heißtemperatur (24) des zweiten Koppelkreislaufs (K2) ist.
Verfahren zum Betrieb einer Energierückgewinnungsanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die die Komponenten der Energierückgewinnungsanlage derart geregelt sind, dass am Ausgang des im ORC-Kreislauf zweiten Wärmetauschers (2, 22) eine Temperatur des organischen Arbeitsfluids vorliegt, die zumindest im Wesentlichen in Grenznähe der zulässigen Betriebs- bzw. Zersetzungstemperatur des organischen Arbeitsfluids ist.
Verfahren zum Betrieb einer Energierückgewinnungsanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 10 oder 12 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Komponenten der Energierückgewinnungsanlage derart geregelt sind, dass ein maximaler Wärmeinhalt aus der zweiten Wärmequelle auf das Arbeitsfluid bei minimaler Durchflussrate des Arbeitsfluids übertragen wird.
Verfahren zum Betrieb einer Energierückgewinnungsanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche 12 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass der Verflüssiger (5) des ORC-Kreislaufs (O) eine regelbare Kühlung zur Verflüssigung und Unterkühlung des Arbeitsfluids aufweist umfassend einen Ventilator (20), einen Ventilatorregler (18), eine verstellbare Blende (27) und einen Blendenregler (28) aufweist, wobei die Kühlleistung in Abhängigkeit der Außentemperatur und des Drucks des Arbeitsfluids am Ausgang des Verflüssigers (5) geregelt wird.