DE102020004152A1

DE102020004152A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Expansion unter Druck stehender Gase mittels Expansionsmaschine unter Nutzung von Wärmequellen niedrigen Temperaturniveaus

Info

Publication number: DE102020004152A1
Application number: DE102020004152.3A
Authority: DE
Inventors: Hanushan Vasuthevan; Andreas Brümmer; Alexander Nikolov
Original assignee: Technische Universitaet Dortmund
Current assignee: Technische Universitaet Dortmund
Priority date: 2020-07-09
Filing date: 2020-07-09
Publication date: 2022-01-13

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Expansion unter Druck stehender Gase (7), insbesondere von in Rohrleitungen transportierter Gase (7), vorzugsweise von in Pipelines transportiertem Erdgas (7), bei dem das zu expandierende Gas (7) in mindestens einer Expansionsmaschine (2), vorzugsweise in einem Schraubenexpander, auf einen geringeren Druck (pA) entspannt wird, wobei der bei der Entspannung des Gases (7) aufgrund der Energiewandlung in der Expansionsmaschine auftretenden Abkühlung des Gases (7) durch Energiezufuhr aus einer Wärmequelle niedrigen Temperaturniveaus (3) entgegen gewirkt wird. Dabei wird ein Hilfsfluid von der Wärmequelle niedrigen Temperaturniveaus (3) erwärmt und vor und/oder in und/oder nach der Expansionsmaschine (2) direkt mit dem Volumenstrom des zu expandierenden Gases (7) derart gemischt, dass die Temperatur des Gases (7) in und/oder stromab der Expansionsmaschine (2) in einem vorgebbaren Temperaturbereich gehalten wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Expansion unter Druck stehender Gase mittels Expansionsmaschine unter Nutzung von Wärmequellen niedrigen Temperaturniveaus gemäß Oberbegriff des Anspruches 1 und eine Vorrichtung gemäß Oberbegriff des Anspruches 17.
Der wirtschaftliche Transport von Gasen und insbesondere des wirtschaftlich sehr bedeutenden Erdgases über lange Strecken erfolgt im Allgemeinen im hohen Druckbereich (meist über ca. 60 bar). Um das Gas zu verteilen, muss der Druck wieder reduziert werden, bevor das Gas in das lokale Verteilungssystem eingespeist wird. Für den Endkunden wird das Erdgas dann bei einem niedrigen Druck zur Verfügung gestellt. Zwischen den Hockdruck- und Niederdrucknetzen wird das Erdgas meist in mehreren Gasdruckregel-Anlagen (GDR) bzw. Gas-Druckregel- und -messanlagen (GDRM) schrittweise entspannt. Die Druckreduzierung bzw. Erdgasentspannung erfolgt im Allgemeinen durch Drosselung mithilfe von Druckreglern, in der Regel Expansionsventilen. Bei diesem Prozess kühlt sich das Erdgas aufgrund des Realgasverhaltens deutlich ab (Joule-Thomson-Effekt). Im Allgemeinen wird eine Abkühlung des Erdgases unter die höchste Tautemperatur eines der Gasbestandteile sowie eine insbesondere äußere Vereisung von Rohren (hinsichtlich des Fluids Wasser z.B. aus der Umgebungsluft) vermieden, durch die der Betrieb der Entspannungsanlage gestört werden kann. Deshalb wird das Erdgas abhängig vom Druckgefälle entsprechend vorgewärmt. Dies geschieht hauptsächlich mit gasbetriebenen Rohrbündel-Wärme-Übertragern, in denen Warmwasser in Gegenstromrichtung zum Gas geführt wird. Das Erhitzen des Warmwassers geschieht meist über gasbefeuerte Heizkessel. Dies erfordert sowohl einen entsprechenden apparativen Aufwand zur Erhitzung des Warmwassers und verschlechtert zudem die Energiebilanz bei der Expansion des Gases.
Anstatt die Druckreduzierung mit Hilfe eines Druckreglers oder eines Volumenstromreglers durchzuführen, besteht auch die Möglichkeit, den Druck bzw. das Druckgefälle des Gases mit Hilfe einer Expansionsmaschine, etwa einer volumetrischen Expansionsmaschine z.B. in Form eines Schraubenexpanders zu reduzieren. Hierbei ist der Temperaturabfall des Erdgases größer als bei einer reinen Drosselung in einem Expansionsventil, sodass das Gas auf eine höhere Temperatur (z. B. > 70 °C) vorgewärmt werden muss. In der Regel wird hierbei zunächst Wasser in einem Kessel durch die Verbrennung von Erdgas erwärmt und anschließend das über die Expansionsstation transportierte Erdgas mit Hilfe eines Wärmeübertragers vorgewärmt. Die DE 10 2017 121 954 A1 offenbart einen Schraubenexpander, der zum Erzeugen von mechanischer Energie durch Expandieren eines Arbeitsfluids genutzt wird, bei dem ein Heizmittel zum indirekten Erhitzen des Arbeitsfluids in das Gehäuse des Expanders eingebaut ist, um eine unzulässige Abkühlung des Arbeitsgases bei der Expansion zu verhindern. Auch hierbei wird der schon geschilderte apparative Aufwand notwendig und die Energiebilanz verschlechtert.
Es ist auch bei der Verwendung von Expansionsmaschinen zur Druckentspannung schon bekannt geworden, geothermische Energie zur Gewinnung von Wärme bei der Druckreduzierung bzw. Erdgasentspannung zu nutzen. In der Veröffentlichung von H. Vasuthevan et al: „Development and Practical Application of a Natural Gas Expansion Turbine for Power Generation without additional Heating Equipment", 24th International Compressor Engineering Conference at Purdue, July 9-12, 2018, wird beschrieben, dass die Entspannung eines unter Druck stehenden Erdgases in einer Gasleitung unter Erzeugung elektrischer Energie durch den Einsatz einer Expansionsmaschine realisiert werden kann. Die notwendige Energie zur Vorwärmung des Erdgases stammt dabei aus der Nutzung von Erdwärme aus den oberen Erdschichten. Bei der geothermischen regenerativen Energiewandlung gibt es unterschiedliche Verfahren in der Wärmenutzung, wie in 1 angegeben. Im Allgemeinen wird die Wärme in sehr großen Tiefen erschlossen. Erst bei sehr großen Tiefen (> 2000 m) erreicht das Arbeitsmedium die benötigten hohen Temperaturen (> 100 °C), die sich für die regenerative Energienutzung in Clausius Rankine Cycles (CRC), Organic Rankine Cycles (ORC) oder ähnlichen Prozessen eignen. Herausforderung hierbei ist die Erschließung von geeigneten Quellen, die derart tiefe Bohrungen rechtfertigen. Weitere Problematiken sind ungewisse Nachhaltigkeit und Wirtschaftlichkeit der geothermischen Wärmegewinnung. Aufgrund des geringen Temperaturniveaus bei Geothermiebohrungen in geringen Tiefen ist eine Nutzung dieser Temperaturen nicht ausreichend, um die benötigte Vorwärmung für die Expansion von Gasen in einer Expansionsmaschine direkt zu ermöglichen.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine Entspannung von Gasen in Hochdruckleitungen mittels Expansionsmaschinen wie etwa volumetrischen Expansionsmaschinen, vorzugsweise mittels Schraubenexpander vorzunehmen, bei der die Abkühlung der Gase bei der Entspannung durch eine Erhitzung der Gase zur Vermeidung von Vereisung etc. mittels Wärmequellen niedriger Temperaturniveaus verhindert werden kann.
Die Lösung der erfindungsgemäßen Aufgabe ergibt sich hinsichtlich des Verfahrens aus den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruches 1 und hinsichtlich der Vorrichtung aus den Merkmalen des Anspruchs 15 jeweils in Zusammenwirken mit den Merkmalen des zugehörigen Oberbegriffes. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Die Erfindung geht aus von einem Verfahren zur Expansion unter Druck stehender Gase, insbesondere von in Rohrleitungen transportierter Gase, vorzugsweise von in Pipelines transportiertem Erdgas, bei dem das zu expandierende Gas in mindestens einer Expansionsmaschine, vorzugsweise einer volumetrischen Expansionsmaschine, insbesondere in einem Schraubenexpander, auf einen geringeren Druck entspannt wird, wobei der bei der Entspannung des Gases aufgrund der Energiewandlung in der Expansionsmaschine auftretenden Abkühlung des Gases durch Energiezufuhr aus einer Wärmequelle niedrigen Temperaturniveaus entgegen gewirkt wird. Ein derartiges gattungsgemäßes Verfahren wird dadurch in erfindungsgemäßer Weise weiter entwickelt, dass ein Hilfsfluid von der Wärmequelle niedrigen Temperaturniveaus erwärmt und vor und/oder in und/oder nach der Expansionsmaschine direkt mit dem Volumenstrom des zu expandierenden Gases derart gemischt wird, dass die Temperatur des Gases in und/oder stromab der Expansionsmaschine in einem vorgebbaren Temperaturbereich gehalten wird. Das erfindungsgemäße Verfahren beinhaltet die Nutzung des vorhandenen Druckpotentials eines gasförmigen Arbeitsmediums in Expansionsanlagen, z. B. GDRM-Anlagen, zur regenerativen Energiewandlung mittels einer, z.B. volumetrischen, Expansionsmaschine wie etwa einem Schraubenexpander unter Wandlung der Rotationsenergie der Expansionsmaschine in einem z.B. nachgeschalteten Generator. Der bei der Expansion des Gases entstehende Temperaturabfall soll allerdings nicht durch eine Vorwärmung mit Hilfe von fossilen Brennstoffen (Erdgas) stromauf und damit außerhalb der Expansionsmaschine kompensiert werden, wie es zum jetzigen Stand der Technik üblich ist. Um eine Unterkühlung des Gases zu vermeiden, soll das Gas mittels Wärmequellen niedrigen Temperaturniveaus, insbesondere mittels geothermischer Energie, solarthermischer Energie oder thermischer Umgebungsenergie z.B. aus der Luft, innerhalb der Expansionsmaschine und damit während der Expansion auf bestimmte Temperaturen (z. B. oberhalb von 0 °C) erwärmt werden. Im Weiteren soll unter dem Begriff Expansionsmaschine jede, insbesondere volumetrische, Expansionsmaschine verstanden werden, die wie z.B. ein Schraubenexpander, die Nutzung des vorhandenen Druckpotentials eines gasförmigen Arbeitsmediums durch Expansion des Arbeitsmediums unter Abgabe einer mechanischen Energie wie etwa einer Rotationsenergie ermöglicht.
Zum Zweck der Energienutzung der Wärmequelle niedrigen Temperaturniveaus wird ein Hilfsfluid in die Expansionsmaschine selbst eingespritzt. Dieses Hilfsfluid kann z.B. selbst in einem sekundären Kreislauf wärmetechnisch mit der Wärmequelle niedrigen Temperaturniveaus oder wärmetechnisch mit einem anderen Fluid in Kontakt gebracht worden sein, das dann wiederum z.B. in einer geothermischen Anlage oder einer anderen Wärmequelle niedrigen Temperaturniveaus erwärmt worden ist. Für diesen Einsatz bei der Entspannung des Gases eignet sich eine volumetrische Expansionsmaschine, vorzugsweise ein Schraubenexpander, besonders gut, da ein nasslaufender Betrieb problemlos umgesetzt werden kann. Somit lässt sich die im Hilfsfluid gespeicherte Wärme der Wärmequelle niedrigen Temperaturniveaus auf das Gas in der Expansionsmaschine übertragen und das expandierende Gas erwärmen. Das Ziel dabei ist es, während der Expansion eine möglichst isotherme Zustandsänderung des Gemisches aus Gas und Hilfsfluid zu gewährleisten, wobei der überwiegende Teil an Energie vom Hilfsfluid durch Wärme- und/oder Stoffübergang direkt auf das Gas bzw. das Gas-/Hilfsfluid-Gemisch zur Verfügung gestellt wird. Diese etwa als Einspritzung innerhalb der Expansionsmaschine realisierbare Mischung von Gas und Hilfsfluid ist besonders effektiv und zudem gut steuerbar, indem z.B. der Massenstrom des Hilfsfluids bei der Einspritzung innerhalb der Expansionsmaschine verändert wird. Da die Temperatur des Gases in der Maschine kälter ist als die des Hilfsfluides, wird stets die Wärme vom Hilfsfluid auf das Gas - ohne den Einsatz von vorgelagerten externen Wärmeübertragern - übertragen und somit die Energie der Wärmequelle niedrigen Temperaturniveaus, z.B. der geothermischen Energie, in eine Erwärmung des Gases bei der Expansion umgewandelt. Nach der Expansion kann das abgekühlte Hilfsfluid mit einem Abscheider aus dem Gas abgeschieden werden und z.B. direkt oder indirekt im sekundären Kreislauf etwa mit Hilfe geothermischer Energie wieder erwärmt werden. Obwohl die Temperatur des Hilfsfluides erheblich geringer als bei einer konventionellen Wärmeübertragung bei hohen Temperaturen ist, kann durch die besonders gute Art der Wärmeübertragung von Hilfsfluid auf das Gas bei der direkten Zumischung des Hilfsfluids eine Unterkühlung des Gases (z.B. Erdgas) vermieden werden. Auf Grundlage des erfindungsgemäßen Verfahrens kann beispielsweise in Erdgas-Druckregel- und Messanlagen die Druckregeleinheit sowie ein ggf. vorhandener externer Wärmeübertrager durch die Expansionsmaschine, z.B. einen Schraubenexpander, ersetzt werden, da diese typenspezifisch eine Regelung des Enddruckes mittels Drehzahlvariation und somit des durchgesetzten Massenstroms bei vorgegebenem Eintrittsdruck ermöglicht sowie gleichzeitig die beschriebene Unterkühlung des Erdgases verhindert. Der Einsatz des erfindungsgemäßen Verfahrens kann bei beliebigen, unter hohem Druck stehenden oder transportierten Gasen erfolgen und ist nicht auf Erdgas oder dgl. Nutzgase beschränkt. Zudem können als Wärmequelle niedrigen Temperaturniveaus eine Vielzahl denkbarer Energiequellen, wie etwa geothermische und/oder solarthermische Anlagen sowie Wärmepumpen zur Wandlung thermischer Umgebungsenergie z.B. aus der Umgebungsluft oder dgl. genutzt werden. Der Begriff des niedrigen Temperaturniveaus soll hierbei lediglich darauf hindeuten, dass das Temperaturniveau derartiger Energiequellen niedriger ist als bei speziell zur Erhitzung von Gasen gewonnener Energie aus z.B. Verbrennungsprozessen, die üblicherweise bei wesentlich höheren Temperaturen erfolgt. Hierzu ist eine Vielzahl denkbarer Energiequellen geeignet, die durch den Ausdruck Wärmequelle niedrigen Temperaturniveaus mit umfasst werden sollen und dem Fachmann eine Richtung für eventuelle konkrete Ausgestaltungen geben. Wird im Folgenden das Verfahren oder die Vorrichtung anhand von Beispielen etwa zur geothermischen Energiegewinnung beschrieben, so sollen diese anderen denkbaren Wärmequellen niedrigen Temperaturniveaus immer mit umfasst sein. Unter Hilfsfluid kann dabei ein direkt in der Wärmequelle niedrigen Temperaturniveaus erwärmtes Fluid gemeint sein, aber auch ein Fluid, das selbst nicht direkt von der Wärmequelle niedrigen Temperaturniveaus gewärmt wird, sondern nur über entsprechende Wärmeübertrager oder sonstige Einrichtungen von einem Fluid indirekt erwärmt, das wiederum direkt von der Wärmequelle niedrigen Temperaturniveaus gewärmt wird.
In einer ersten denkbaren Ausgestaltung ist es möglich, dass die Temperatur des Gases in und stromab der Expansionsmaschine annähernd konstant, vorzugsweise oberhalb der insbesondere maximalen Taupunktstemperatur des Gemisches aus Gas und Hilfsfluid und/oder der Vereisungstemperatur der Rohrleitungen, gehalten wird. Hierdurch werden sonst durch das Unterschreiten der Vereisungstemperatur auftretende Probleme innerhalb der Expansionsmaschine bzw. innerhalb der Leitungen vermieden und die Funktion der Expansionsmaschine sicher gestellt.
Von besonderem Vorteil ist weiterhin die Wärmeübertragung von dem Hilfsfluid auf das zu expandierende Gas durch direkten Kontakt zwischen Gas und Hilfsfluid, insbesondere einen Wärme- und/oder Stoffübergang, vor und/oder in und/oder stromabwärts nach der Expansionsmaschine. Durch diese Art der Wärmeübertragung wird ein Teil der thermischen Energie des Hilfsfluids auf das Gas bzw. das Gas-/Hilfsfluid-Gemisch übertragen und ohne notwendige und die Wärmeübertragung beeinträchtigende Wärmeübertrager oder dgl. dieser Teil des Energiegehalts des Hilfsfluids genutzt. Hierzu kann in vorteilhafter Ausgestaltung das Hilfsfluid, vorzugsweise flüssig, vor und/oder in der Expansionsmaschine, vorzugsweise direkt in den Arbeitsraum der Expansionsmaschine, in den Volumenstrom des Gases eingespritzt werden, wodurch sich eine einfach steuerbare und innige Mischung von Gas und Hilfsfluid innerhalb und stromab der Expansionsmaschine mit der vorteilhaften Energieübertragung bildet.
Denkbar ist es weiterhin, dass das abgekühlte Hilfsfluid nach der Entspannung in der Expansionsmaschine, vorzugsweise mit einer Abscheideeinrichtung oder Separationseinrichtung wie etwa einem Abscheider, einem Filter oder dgl., zurückgewonnen und in einem Kreislauf zurück zu der Wärmequelle niedrigen Temperaturniveaus oder zu einem Fluid, das durch die Wärmequelle niedrigen Temperaturniveaus zirkuliert, geführt und erneut erwärmt wird. Hierdurch kann das Verfahren weitgehend autark und ohne Notwendigkeit zur Nachlieferung von größeren Mengen an Hilfsfluid betrieben werden, zudem ist das expandierte Gas weitgehend frei von Resten an Hilfsfluid, die eine nachfolgende Nutzung des Gases ggf. beeinträchtigen könnten.
Von besonderem Vorteil ist es, wenn die Temperatur in der Expansionsmaschine und/oder stromab der Expansionsmaschine durch den Einspritzmassenstrom bei vorgegebener Temperatur des Hilfsfluides geregelt und annähernd konstant gehalten wird. Hierdurch kann auf einfache Weise der Energieeintrag in die Expansionsmaschine beeinflusst und die Wirkung der Energie des Hilfsfluids auf das Gas bzw. das Gas-/Hilfsfluid-Gemisch gewährleistet werden.
Besonders vorteilhaft lässt sich das erfindungsgemäße Verfahren dann durchführen, wenn das Hilfsfluid von der Wärmequelle niedrigen Temperaturniveaus auf eine Temperatur erwärmt wird, die nur wenig oberhalb üblicher Umgebungstemperaturen liegt, vorzugsweise in einem Temperaturbereich von bis zu 50° C. In diesem Temperaturbereich stehen eine ganze Reihe von Wärmequellen wie etwa die geothermische Energie, die Solarthermie oder auch viele Abwärmequellen z.B. industrieller Prozesse zur Verfügung, die für die direkte oder indirekte Erwärmung des Hilfsfluids heran gezogen werden können.
Bei der Erwärmung des Hilfsfluids mittels geothermischer Energiequellen ist es besonders vorteilhaft, wenn die Erwärmung des Hilfsfluids oder eines Fluids, das durch die geothermische Energiequelle zirkuliert, in Erdschichten geringer Tiefe erfolgen kann. In diesen Erdschichten geringer Tiefe ist zwar das Temperaturniveau auch nur relativ gering, seine Erschließung erfordert aber auch nur geringen Aufwand durch geringe Bohrtiefen etc. Dadurch ist die Erwärmung des Hilfsfluids mittels geothermischer Energiequellen aus Erdschichten geringer Tiefe besonders einfach und wirtschaftlich und vor allem an vielen Orten verfügbar, an denen sich schon Gasexpansionsstationen befinden oder geplant werden. Die schon bekannte Übertragung der geothermischen Energie mithilfe eines Wärmeübertragers stromauf und damit außerhalb der Expansionsmaschine erfordert für relevante Druckgefälle ab 6 bar bereits Temperaturen von über 100 °C. Das Gas (z. B. Erdgas), welches durch die Geothermie erwärmt wird, muss mindestens diese Vorwärmtemperatur erreichen. Dieses Konzept ist daher erst bei sehr großen Tiefen realisierbar. Durch das erfindungsgemäße Verfahren wird ein regeneratives Erdwärmenutzungskonzept bei insgesamt niedrigen Temperaturen (üblicherweise bei Temperaturen in der Erde zwischen 10 °C und 20 °C) und entsprechend geringen Tiefen von Erdbohrungen umgesetzt.
Weiterhin kann besonders vorteilhaft das vorhandene Druckpotential des Gases zur regenerativen Energiewandlung mittels einer Expansionsmaschine genutzt werden, etwa indem die Expansionsmaschine einen Generator antreibt, welcher einen Teil der übertragenen thermischen Energie in elektrischen Strom umwandelt. Hierdurch wird ein beträchtlicher Teil der thermischen Energie des Gases sowie des Hilfsfluids wieder gewonnen und kann z.B. als elektrische Energie sowohl vor Ort genutzt als auch ins Stromversorgungsnetz eingespeist werden.
Die Erfindung betrifft weiterhin eine Vorrichtung zur Expansion unter hohem Druck stehender Gase, insbesondere von in Rohrleitungen transportierter Gase, vorzugsweise von in Pipelines transportiertem Erdgas, in der mindestens eine Expansionsmaschine, vorzugsweise ein Schraubenexpander, das zu expandierende Gas auf einen geringeren Druck entspannt, wobei der bei der Entspannung des Gases aufgrund der Energiewandlung in der Expansionsmaschine auftretenden Abkühlung des Gases durch Energiezufuhr aus einer Wärmequelle niedrigen Temperaturniveaus entgegen gewirkt wird. Eine derartige gattungsgemäße Vorrichtung wird dadurch in erfinderischer Weise weiter entwickelt, dass verbunden mit der Vorrichtung eine Energiewandlungseinrichtung zur Nutzung einer Wärmequelle niedrigen Temperaturniveaus angeordnet ist, die ein Hilfsfluid mittels der Wärmequelle niedrigen Temperaturniveaus erwärmt, wobei vor und/oder in und/oder nach der Expansionsmaschine eine Mischeinrichtung, insbesondere eine Düse, angeordnet ist, die das Hilfsfluid direkt mit dem Volumenstrom des zu expandierenden Gases derart mischt, dass die Temperatur des Gases in und/oder stromab der Expansionsmaschine in einem vorgebbaren Temperaturbereich haltbar ist. Die Energiewandlungseinrichtung kann dabei im Bereich der Expansionsmaschine angeordnet sein, aber auch nur anschlusstechnisch mit der Expansionsmaschine verbunden sein und eine im Umfeld der Expansionsmaschine vorhandene Wärmequelle niedrigen Temperaturniveaus nutzen, in der ein Hilfsfluid direkt oder indirekt erwärmt werden kann. So könnte die Wärmequelle niedrigen Temperaturniveaus z.B. eine geothermische Anlage sein, die in einer gewissen Entfernung von der Expansionsmaschine an einem geothermisch günstigen Ort angeordnet, aber wärmetechnisch mit der Expansionsmaschine verbunden ist. Die Mischeinrichtung, die besonders bevorzugt als Düse oder Düsenanordnung, aber auch in Form anderer z.B. Einspritzeinrichtungen oder dgl. ausgelegt sein kann, spritzt dabei vorteilhafter Weise das Hilfsfluid, vorzugsweise flüssig, vor und/oder in der Expansionsmaschine, vorzugsweise direkt in den Arbeitsraum der Expansionsmaschine, in den Volumenstrom des Gases ein. Hierdurch wird wie schon vorstehend zum Verfahren beschrieben ein besonders inniger Wärmeübergang zuwischen Gas bzw. Gas-/Hilfsfluid-Gemisch bewirkt, durch den das relativ niedrige Temperaturniveau des Hilfsfluids ausreicht, um das Gas z.B. oberhalb der Taupunktstemperatur des Gemisches aus Gas und Hilfsfluid bzw. der Vereisungstemperatur der Rohrleitungen in und stromab der Expansionsmaschine zu halten. Es ist aber auch denkbar, die Mischeinrichtung so auszugestalten, dass das Hilfsfluid nicht eingespritzt, sondern auf andere Weise mit dem Massenstrom des Gases vermischt wird.
Weiterhin kann eine Abscheideeinrichtung das abgekühlte Hilfsfluid nach der Entspannung in der Expansionsmaschine zurückgewinnen und in einem Kreislauf zurück zu der Wärmequelle niedrigen Temperaturniveaus oder zu einem Wärmeübertrager führen, der wiederum von der Wärmequelle niedrigen Temperaturniveaus beheizt wird. Hierdurch kann die Vorrichtung weitgehend autark und ohne Notwendigkeit zur Nachlieferung von größeren Mengen an Hilfsfluid betrieben werden, zudem ist das expandierte Gas weitgehend frei von Resten an Hilfsfluid, die eine nachfolgende Nutzung des Gases ggf. beeinträchtigen könnten.
Eine besonders bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens und der entsprechenden Vorrichtung zeigt die Zeichnung.
Es zeigen:

1 - verschiedene im Stand der Technik bekannte Verfahren der Wärmegewinnung bei der geothermischen regenerativen Energiewandlung gemäß Bayerischem Landesamt für Umwelt 2018,
2 - grundsätzliches Anlagenschaubild einer erfindungsgemäßen Vorrichtung mit Expansionsmaschine und Nutzung geothermischer Energie aus einer geothermischen Wärmequelle niedrigen Temperaturniveaus,
3, 4 - Beispiele der thermodynamischen Randbedingungen bei der Gasexpansion mittels Gasdruckminderer und mittels Expansionsmaschine bei herkömmlicher Wärmeübertragung aus zu Heizzwecken verbrannten Gasen und gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren mittels Expansionsmaschine und Beheizung mittels geothermischer Energie aus einer geothermischen Wärmequelle,
5 - grundsätzliches Anlagenschaubild einer erfindungsgemäßen Vorrichtung mit Expansionsmaschine mit Nutzung einer Wärmepumpe zur Gewinnung von Energie aus der Umgebungsluft als Wärmequelle niedrigen Temperaturniveaus.

In der 2 ist ein grundsätzliches Anlagenschaubild einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 mit Expansionsmaschine 2 und Nutzung geothermischer Energie aus einer geothermischen Wärmequelle 3 niedrigen Temperaturniveaus dargestellt, aus der ein möglicher Aufbau der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 hervorgeht.
Hierbei wird eine z.B. als Schraubenexpander ausgeführte Expansionsmaschine 2 in einer Gas-Druckregel- und -messanlagen (GDRM) anstelle eines herkömmlichen Gasdruckminderers angeordnet und sorgt für eine Entspannung des Gasstroms 7, z.B. von Erdgas aus einer Transportleitung. Die Expansionsmaschine 2 gibt, beispielsweise über eine nicht dargestellte Welle an einen nicht dargestellten Generator gekoppelt, mechanische Leistung P ab, die von dem Generator in elektrische Leistung P_el umgewandelt und z.B. in ein Stromnetz eingespeist werden kann. Die Drehzahl der Expansionsmaschine 2 hängt hierbei von der Druckreduzierung des Gases 7 und damit dem Eingangsdruck p_E und dem Ausgangsdruck p_A hinter der Expansionsmaschine 2 und dem Volumenstrom des Gases 7 ab.
Der bei der Expansion in der Expansionsmaschine 2 entstehende Temperaturabfall des Gasstroms 7 soll allerdings nicht durch eine Vorwärmung mit Hilfe von fossilen Brennstoffen (z.B. Erdgas) stromauf und damit außerhalb der Expansionsmaschine kompensiert werden, wie es zum jetzigen Stand der Technik üblich ist. Um eine Unterkühlung des Gases 7 zu vermeiden, soll das Gas 7 mittels geothermischer Energie aus dem Untergrund 3 innerhalb der Expansionsmaschine 2 und damit während der Expansion auf bestimmte Temperaturen (z. B. oberhalb von 0 °C) erwärmt werden.
Zum Zweck der Nutzung der geothermischen Energie aus dem Untergrund 3 wird ein Hilfsfluid, das in einem sekundären Kreislauf 4 selbst durch die in die Erde 3 in bestimmter Tiefe unter der Erdoberfläche 5 eingebrachten Bohrungen gefördert und dabei auf das Erdtemperaturniveau υ_Erde erwärmt wird, in die Expansionsmaschine 2 eingespritzt. Für diesen Einsatz eignet sich eine Expansionsmaschine 2, vorzugsweise in der Bauform eines Schraubenexpanders, besonders gut, da ein nasslaufender Betrieb problemlos umgesetzt werden kann. Somit lässt sich die mit dem Hilfsfluid gewonnene Erdwärme auf das Gas 7 übertragen und das Gas 7 erwärmen. Das Ziel dabei ist es, während der Expansion eine möglichst isotherme Zustandsänderung des Gemisches aus Gas 7 und Hilfsfluid zu gewährleisten, wobei der überwiegende Teil an Energie vom Hilfsfluid durch Wärme- und/oder Stoffübergang zur Verfügung gestellt wird. Da die Temperatur des Gases 7 in der Expansionsmaschine 2 kälter ist als die des Hilfsfluides, wird stets die Wärme vom Hilfsfluid auf das Gas 7 - ohne den Einsatz von vorgelagerten externen Wärmeübertragern - übertragen und somit geothermische Energie in Nutzleistung gewandelt. Nach der Expansion wird das abgekühlte Hilfsfluid mit einem nicht dargestellten Abscheider aus dem Gas 7 abgeschieden und nach Durchlaufen einer Pumpe 6 mit Hilfe geothermischer Energie im sekundären Kreislauf 4 wieder erwärmt. Der Durchfluss des Hilfsfluids durch die Expansionsmaschine 2 kann hierbei entsprechend mittels Drehzahländerung der Pumpe 6 geregelt werden.
Durch die vorgesehene Idee wird ein regeneratives Erdwärmenutzungskonzept bei insgesamt niedrigen Temperaturen (üblicherweise bei Temperaturen in der Erde zwischen 10 °C und 20 °C) und entsprechend geringen benötigten Tiefen der Erdbohrungen umgesetzt. Obwohl die Temperatur des Hilfsfluides erheblich geringer als bei einer konventionellen Wärmeübertragung bei hohen Temperaturen, z.B. einer Verbrennung von Erdgas, ist, kann eine Unterkühlung des Gases (z.B. Erdgas) durch das Hilfsfluid vermieden werden.
Auf Grundlage dieses Konzeptes kann beispielsweise in Erdgas-Druckregel- und Messanlagen die Druckregeleinheit sowie ein ggf. vorhandener externer Wärmeübertrager durch die Expansionsmaschine 2 (z. B. Schraubenexpander) ersetzt werden, da diese typenspezifisch eine Regelung des Enddruckes mittels Drehzahlvariation und somit des durchgesetzten Massenstroms bei vorgegebenem Eintrittsdruck ermöglicht sowie gleichzeitig die beschriebene Unterkühlung des Gases 7 verhindert.
In den 3 und 4 sind Berechnungsbeispiele der thermodynamischen Randbedingungen bei der Gasexpansion mittels herkömmlichen Gasdruckminderers und mittels Expansionsmaschine 2 einerseits bei herkömmlicher Wärmeübertragung aus zu Heizzwecken verbrannten Gasen 7 und gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren mittels Expansionsmaschine 2 und Beheizung mittels geothermischer Energie aus einer geothermischen Wärmequelle 3 abgebildet und miteinander verglichen.
In der 5 ist ein Anlagenschaubild einer anderen Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 mit Expansionsmaschine 2 der 1 zu erkennen, bei der durch Nutzung einer Wärmepumpe 8 als Wärmequelle niedrigen Temperaturniveaus 3 eine Gewinnung von Energie aus der Umgebungsluft ermöglicht wird. Hierbei ersetzt die Wärmepumpe 8 die geothermische Energiegewinnung entsprechend der 1, die anderen Komponenten der Vorrichtung 1 bleiben dabei funktionsmäßig erhalten. Derartige Wärmepumpen 8 sind dabei grundsätzlich bekannt und müssen daher hier nicht weiter erläutert werden. Die Wärmepumpe 8 erwärmt dabei das Hilfsfluid indirekt.
Das erfindungsgemäße Verfahren bzw. die erfindungsgemäße Vorrichtung 1 weisen zusammengefasst hierbei folgende Vorteile auf:

• Nutzung des Druckpotentials in gasführenden Anlagen mit Druckreduzierung (z.B. GDRM-Anlagen der Erdgasbranche) zur regenerativen Energiewandlung
• Nutzung regenerativer Energie zur Stromerzeugung oder Übertragung mechanischer Energie (CO₂-neutral)
• Geringe Bohrtiefen ausreichend zur Nutzung geothermischer Energie
• Expansionsmaschine 2 z.B. in Form eines Schraubenexpanders kann Druckregler in gasführenden Anlagen ersetzen
• Expansionsmaschine 2 z.B. in Form eines Schraubenexpanders geeignet für die Expansion mit hohem Flüssigkeitsanteil in der Arbeitskammer
• effiziente Wärmeübertragung der geothermischen Energie durch direktes Einspritzen des Hilfsfluides unmittelbar vor und/oder in die expandierende Arbeitskammer der Expansionsmaschine 2
• kein externer Kessel und Wärmeübertrager mehr erforderlich
• energetische Nutzung von Wärmequellen extrem geringer Temperaturen (≈ 10-20°C) möglich

Bezugszeichenliste

1: Vorrichtung
2: Expansionsmaschine
3: Erdreich
4: Flüssigkeitsleiter für Hilfsfluid
5: Erdoberfläche
6: Pumpe
7: Gas
8: Wärmepumpe

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102017121954 A1 [0003]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

H. Vasuthevan et al: „Development and Practical Application of a Natural Gas Expansion Turbine for Power Generation without additional Heating Equipment“, 24th International Compressor Engineering Conference at Purdue, July 9-12, 2018 [0004]

Claims

Verfahren zur Expansion unter Druck stehender Gase (7), insbesondere von in Rohrleitungen transportierter Gase (7), vorzugsweise von in Pipelines transportiertem Erdgas (7), bei dem das zu expandierende Gas (7) in mindestens einer Expansionsmaschine (2), vorzugsweise einer volumetrischen Expansionsmaschine (2), insbesondere in einem Schraubenexpander, auf einen geringeren Druck (ρ_A) entspannt wird, wobei der bei der Entspannung des Gases (7) aufgrund der Energiewandlung in der Expansionsmaschine auftretenden Abkühlung des Gases (7) durch Energiezufuhr aus einer Wärmequelle niedrigen Temperaturniveaus (3) entgegen gewirkt wird, dadurch gekennzeichnet, dass ein Hilfsfluid von der Wärmequelle niedrigen Temperaturniveaus (3) erwärmt und vor und/oder in und/oder nach der Expansionsmaschine (2) direkt mit dem Volumenstrom des zu expandierenden Gases (7) derart gemischt wird, dass die Temperatur des Gases (7) in und/oder stromab der Expansionsmaschine (2) in einem vorgebbaren Temperaturbereich gehalten wird.
Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur des Gases (7) in und stromab der Expansionsmaschine (2) annähernd konstant, vorzugsweise oberhalb der Taupunktstemperatur des Gemisches aus Gas (7) und Hilfsfluid und/oder der Vereisungstemperatur der Rohrleitungen, gehalten wird.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmeübertragung von dem Hilfsfluid auf das zu expandierende Gas (7) durch direkten Kontakt zwischen Gas (7) und Hilfsfluid, insbesondere einen Wärme- und/oder Stoffübergang, vor und/oder in und/oder nach der Expansionsmaschine (2) erfolgt.
Verfahren gemäß Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Hilfsfluid, vorzugsweise flüssig, vor und/oder in und/oder nach der Expansionsmaschine (2), vorzugsweise direkt in den Arbeitsraum der Expansionsmaschine (2), in den Volumenstrom des Gases (7) eingespritzt wird.
Verfahren gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das abgekühlte Hilfsfluid nach der Entspannung in der Expansionsmaschine (2), vorzugsweise mit einer Abscheideeinrichtung oder Separationseinrichtung, zurückgewonnen und in einem Kreislauf zu der Wärmequelle niedrigen Temperaturniveaus (3) zurückgeführt und erneut erwärmt wird.
Verfahren gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur in der Expansionsmaschine (2) und/oder stromab der volumetrischen Expansionsmaschine (2) durch den Einspritzmassenstrom bei vorgegebener Temperatur des Hilfsfluids geregelt und annähernd konstant gehalten wird.
Verfahren gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass während der Expansion des Gases (7) eine im Wesentlichen isotherme Zustandsänderung des Gemisches aus Gas (7) und Hilfsfluid abläuft.
Verfahren gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Hilfsfluid von der Wärmequelle niedrigen Temperaturniveaus (3) auf eine Temperatur erwärmt wird, die nur wenig oberhalb üblicher Umgebungstemperaturen liegt, vorzugsweise in einem Temperaturbereich von bis zu 50° C.
Verfahren gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Wärmequelle niedrigen Temperaturniveaus (3) regenerative Energiequellen und/oder Abwärmequellen genutzt werden.
Verfahren gemäß Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Hilfsfluid mittels geothermischer Energiequellen, vorzugsweise in Erdschichten (3) geringer Tiefe, erwärmt wird.
Verfahren gemäß Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Hilfsfluid mittels regenerativer Energiequellen (3) erwärmt und dann direkt in den Arbeitsraum der Expansionsmaschine (2) eingespritzt wird.
Verfahren gemäß Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Hilfsfluid mittels solarthermischer Anlagen erwärmt wird.
Verfahren gemäß Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Hilfsfluid mittels Wärmepumpe aus einer Wärmequelle niedrigen Temperaturniveaus (3), insbesondere der Temperatur der Umgebungsluft, erwärmt wird.
Verfahren gemäß Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Hilfsfluid nicht direkt von der Wärmequelle niedrigen Temperaturniveaus, sondern über entsprechende Wärmeübertrager oder sonstige Einrichtungen von einem Fluid indirekt erwärmt wird, das wiederum direkt von der Wärmequelle niedrigen Temperaturniveaus gewärmt wird.
Verfahren gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das vorhandene Druckgefälle des Gases (7) und/oder die thermische Energie des Gases (7) und des Hilfsfluids zur regenerativen Energiewandlung mittels einer Expansionsmaschine (2) genutzt wird.
Verfahren gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Expansionsmaschine (2) einen Generator antreibt, welcher einen Teil der thermischen Energie des Gases (7) in Strom umwandelt.
Vorrichtung (1) zur Expansion unter Druck stehender Gase (7), insbesondere von in Rohrleitungen transportierter Gase (7), vorzugsweise von in Pipelines transportiertem Erdgas (7), in der mindestens eine Expansionsmaschine (2), vorzugsweise ein Schraubenexpander, das zu expandierende Gas (7) auf einen geringeren Druck entspannt, wobei der bei der Entspannung des Gases (7) aufgrund der Energiewandlung in der Expansionsmaschine auftretenden Abkühlung des Gases (7) durch Energiezufuhr aus einer Wärmequelle niedrigen Temperaturniveaus (3) entgegen gewirkt wird, dadurch gekennzeichnet, dass verbunden mit der Vorrichtung (1) eine Energiewandlungseinrichtung zur Nutzung einer Wärmequelle niedrigen Temperaturniveaus (3) angeordnet ist, die ein Hilfsfluid mittels der Wärmequelle niedrigen Temperaturniveaus (3) erwärmt, wobei vor und/oder in und/oder nach der Expansionsmaschine (2) eine Mischeinrichtung, insbesondere eine Düse, angeordnet ist, die das Hilfsfluid direkt mit dem Volumenstrom des zu expandierenden Gases (7) derart mischt, dass die Temperatur des Gases (7) in und/oder stromab der Expansionsmaschine (2) in einem vorgebbaren Temperaturbereich haltbar ist.
Vorrichtung (1) gemäß Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Mischeinrichtung das Hilfsfluid, vorzugsweise flüssig, vor und/oder in und/oder nach der Expansionsmaschine (2), vorzugsweise direkt in den Arbeitsraum der Expansionsmaschine (2), in den Volumenstrom des Gases (7) einspritzt.
Vorrichtung (1) gemäß einem der Ansprüche 17 oder 18, dadurch gekennzeichnet, dass eine Abscheideeinrichtung das abgekühlte Hilfsfluid nach der Entspannung in der Expansionsmaschine (2) zurückgewinnt und in einem Kreislauf zurück zu der Wärmequelle niedrigen Temperaturniveaus (3) führt.
Vorrichtung (1) gemäß einem der Ansprüche 17 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmequelle niedrigen Temperaturniveaus (3) eine geothermische Energiequelle, vorzugsweise in Erdschichten geringer Tiefe, aufweist.
Vorrichtung (1) gemäß einem der Ansprüche 17 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmequelle niedrigen Temperaturniveaus (3) eine solarthermische Anlage aufweist.
Vorrichtung (1) gemäß einem der Ansprüche 17 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (1) eine Wärmepumpe (8) aufweist, die das Hilfsfluid mittels aus einer Wärmequelle niedrigen Temperaturniveaus (3), insbesondere der Umgebungsluft, erwärmt.
Vorrichtung (1) gemäß einem der Ansprüche 17 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass die Expansionsmaschine (2) mit einem Generator derart verbunden ist, dass der Generator aufgrund der Rotation der Expansionsmaschine (2) die thermische Energie des Gases (7) in Strom umwandelt oder die Expansionsmaschine die thermische Energie des Gases (7) als mechanische Energie zur Verfügung stellt.