DE102022114343A1

DE102022114343A1 - Anordnung und Verfahren zur Umwandlung von Abwärme in mechanische Energie sowie Verwendung einer Absorptionskälteanlage als Temperaturregler

Info

Publication number: DE102022114343A1
Application number: DE102022114343.0A
Authority: DE
Inventors: Thiago Gotelip Correa Veloso; Uwe Gampe
Original assignee: Technische Universitaet Dresden
Current assignee: Technische Universitaet Dresden
Priority date: 2022-06-08
Filing date: 2022-06-08
Publication date: 2023-12-14
Also published as: WO2023237162A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Energieanlage und ein Verfahren zur Umwandlung von Abwärme in mechanische Energie unter Einsatz von CO2im überkritischen Zustand (sCO2), umfassend eine Pumpe (1) zur Druckerhöhung und zum Transport des CO2, wenigstens einen Wärmeübertrager (7, 12) zur Übertragung von Abwärme auf das CO2als Arbeitsmedium, so dass das CO2im überkritischen Zustand vorliegen kann, eine Kraftmaschine (17) zur Generierung von mechanischer Energie mittels des sCO2, und eine Absorptionskälteanlage zur geregelten Kühlung des aus der Kraftmaschine (17) austretenden CO2, mit Austreiber (23) und Verdampfer (31), wobei eine Leitung für das aus der Kraftmaschine (17) austretende CO2umfasst ist, die von der Kraftmaschine (17) zum Austreiber (23) und von dort zum Verdampfer (31) führt. Nach der Erfindung ist zwischen Kraftmaschine (17) und Austreiber (23) ein Rekuperator (6) zum Wärmetransfer von dem aus der Kraftmaschine (17) austretenden CO2zum zu dieser hinführenden sCO2angeordnet, und nach der Pumpe (1) ein Flussteiler (3) zum Teilen des Stroms aus CO2in einen ersten Teilstrom zum Rekuperator (6) und einen zweiten Teilstrom zur Übertragung von Abwärme mittels des wenigstens einen Wärmeübertragers (7, 12) angeordnet. Die Erfindung betrifft weiterhin die Verwendung einer Absorptionskälteanlage zusammen mit einem Rekuperator zum Wärmetransfer zwischen zwei CO2-Strömen dieser Energieanlage als Temperaturregler.

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung und ein Verfahren zur Umwandlung von Abwärme in mechanische Energie, insbesondere Bewegungsenergie (auch als kinetische Energie bezeichnet), unter Einsatz von Kohlendioxid (CO₂) in überkritischem Zustand. CO₂ in überkritischem Zustand oder überkritisches CO₂ bezeichnet Kohlendioxid in einem überkritischen Zustand, oberhalb des kritischen Punkts bei einer Temperatur von 31 °C und einem Druck von 73,8 bar, auch superkritisches CO₂ genannt, nachfolgend kurz: sCO₂.
Die Anordnung umfasst

a) eine Pumpe zur Druckerhöhung und zum Transport des CO₂ durch wenigstens eine Leitung,
b) wenigstens einen Wärmeübertrager zur Übertragung von Abwärme auf das CO₂ als Trägermedium und Arbeitsmedium, so dass das CO₂ im überkritischen Zustand als sCO₂ vorliegen kann,
c) eine Kraftmaschine zur Generierung von mechanischer Energie mittels des sCO₂, und
d) eine Absorptionskälteanlage zur geregelten Kühlung des aus der Kraftmaschine austretenden CO₂, umfassend einen Austreiber und einen Verdampfer, wobei eine Leitung für das aus der Kraftmaschine austretende CO₂ umfasst ist, die von der Kraftmaschine zum Austreiber und von dort zum Verdampfer der Absorptionskälteanlage führt.

Das Verfahren umfasst die Schritte

a) Druckerhöhung und Transport von CO₂ mittels einer Pumpe,
b) Übertragung von Abwärme auf CO₂ als Trägermedium und Arbeitsmedium, so dass das CO₂ im überkritischen Zustand als sCO₂ vorliegt, und
c) Generierung von mechanischer Energie aus dem sCO₂ mittels einer Kraftmaschine,
d) geregelte Kühlung des aus der Kraftmaschine austretenden CO₂ mittels einer Absorptionskälteanlage, umfassend einen Austreiber und einen Verdampfer,

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Die Erfindung betrifft auch die Verwendung einer Absorptionskälteanlage als Temperaturregler, umfassend einen Austreiber und einen Verdampfer, in Zusammenwirken mit einem Rekuperator zum Wärmetransfer zwischen zwei CO₂-Strömen. Die Regelung betrifft die Wärmeabfuhr aus dem CO₂-System einer Anordnung zur Umwandlung von Abwärme in mechanische Energie bzw. konkret in Bewegungsenergie, der erfindungsgemäßen Anordnung. Die Anordnung zur Umwandlung von Abwärme in mechanische Energie wird nachfolgend auch kurz Energieanlage genannt.
Abwärme ist Wärme, die vorrangig von technischen Anlagen erzeugt und an die Umgebung abgegeben wird oder genutzt werden kann. Thermodynamisch betrachtet sind die meisten realen Prozesse irreversibel. Als Folge der Dissipation von Energie entsteht bei diesen Vorgängen unvermeidlich Wärme. Technische Geräte und Anlagen können nicht betrieben werden, ohne dass Abwärme erzeugt wird. Diese muss meist abgeleitet werden, um Störungen durch Überhitzung zu vermeiden oder um bei Kreisprozessen den Ausgangszustand des Arbeitsmediums wiederherzustellen.
Aufgrund der besonderen Eigenschaften von CO₂ oberhalb des kritischen Punkts und der sich daraus ergebenden Vorteile bei der Anwendung in thermodynamischen Kreisprozessen, wird dieses in der Fachwelt als Arbeitsfluid einer neuen Generation thermischer Energiemaschinen verstanden. Höhere Wirkungsgrade sowie eine deutliche Reduktion von Baugröße und Komplexität der Einzelkomponenten ermöglichen dabei eine bessere Ausnutzung bestehender sowie die Erschließung neuer, bisher nicht wirtschaftlich verwertbarer Wärmequellen.
Da der kritische Punkt von CO₂ mit rund 31 °C nahe der Umgebungstemperatur liegt, haben saisonale und tageszeitliche Schwankungen der Umgebungstemperatur signifikante Auswirkungen auf die Wärmeabfuhr aus dem Prozess. Für eine bestimmte Auslegung eines Kühlers hat ein Anstieg der Umgebungstemperatur Wirkungsgrad- und Leistungsminderungen zur Folge, da sich die Druckerhöhung im Prozess in Richtung höherer Kompressibilität und folglich auch Verdichtungsarbeit verschiebt. Wie stark diese Auswirkungen sind, hängt von der Prozessarchitektur und der Lage des Eintrittszustandes für die Druckerhöhung im Design-Punkt (DP) ab.
Es ist aus dem Stand der Technik bekannt, Absorptionskälteanlagen mit sCO₂-Energieanlagen, Energieanlagen, die überkritisches CO₂ einsetzen, zu verknüpfen, um Abwärme, beispielsweise aus Industrieabgasen, nutzbar zu machen. Die Absorptionskälteanlage wird dabei oft als Bottoming-System und die sCO₂-Anlage als Topping-System bezeichnet. In Yang et al. (2019) wird jedoch lediglich eine niedrige Abwärmemenge genutzt, denn die Wärmequelle hat nur eine Temperatur von 140 °C. Zum Betreiben des Austreibers (teilweise auch als Generator bezeichnet) der LiBr/H₂O-(Lithiumbromid/Wasser-)Absorptionskälteanlage wird eine externe Temperaturquelle vorgeschlagen. Eine ähnliche Vorgehensweise offenbart Wu et al. (2017), wobei eine NH₃/H₂O-(Ammoniak-Wasser-)Absorptionskälteanlage eingesetzt wird. Darüber hinaus arbeitet das System in Yang et al. (2019) im subkritischen Bereich des CO₂ mit Temperaturen bei <10 °C und Drücken von ca. 4 bar. In CN 112412555 A wird eine sCO₂-Zwischenkühlung eingesetzt und die Betriebstemperatur des CO₂ ist höher als für den überkritischen Zustand nötig.
Kombinierte sCO₂/LiBr/H₂O-Systeme für Wärmequellen wie Kernreaktoren, Solaranlagen und Verbrennungsmotoren arbeiten bei hohen Temperaturen (über 600 °C), wie auch beispielsweise in der Druckschrift CN1 12412555 A beschrieben.
Die Lösung gemäß Druckschrift CN 109519243 B nutzt eine sCO₂-Anlage, kombiniert mit einer NH₃/H₂O-Absorptionskälteanlage. Dabei treibt supererhitzter Ammoniak eine eigene Turbine an. Es handelt sich beim sCO₂-Zyklus um einen einfachen Zyklus. Der NH₃/H₂O-Dampf wird genutzt als Wärmequelle für einen LiBr-Absorptionskühler.
Ma/Liu et al. (2018) sowie Ma/Zhang et al. (2018) offenbaren eine Kombination aus sCO₂-Zyklus mit LiBr-Absorptionskälteanlage, wobei lediglich ein Teil des CO₂-Massestroms mittels des LiBr-Systems gekühlt wird.
Alle bekannten Systeme mit Absorptionskälteanlage nutzen lediglich einen Teil der primären Heizquelle, der zur Nutzung vorgesehenen Abwärme, als treibende Energiequelle für die Absorptionskälteanlage, was im Ergebnis das Potenzial des Topping-Systems, d. h. der sCO₂-Energieanlage reduziert.
Gotelip et al. (2022) beschreiben den Wärmeaustausch zwischen aus der Turbine austretendem CO₂ und zur Turbine hinführendem CO₂ in Form einer Vorheizung. Es ist ein Nachteil, dass die Anlage abhängig ist von externen Kühlwässern und deren konstanter Temperatur. Saisonale Schwankungen können nicht ausgeglichen werden.
Bei allen bekannten Anlagen ist es schwierig, die Kühlleistung so konstant und effektiv zu betreiben, dass ganzjährig im sub-kritischen Bereich (nach Expansion in der Turbine) gearbeitet und somit eine hoher Prozesswirkungsgrad sichergestellt werden kann.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine Energieanlage bereitzustellen sowie ein Verfahren zu deren Betrieb und eine Verwendung einer Absorptionskälteanlage anzubieten, bei denen die Nachteile des Standes der Technik überwunden werden und eine konstante Kühlleistung einer CO₂-Energieanlage kombiniert mit möglichst hoher Effizienz bzw. Nutzleistung bei der Umwandlung von Abwärme in Bewegungsenergie bewirkt wird. Die Anlage soll möglichst einfach aufgebaut sein und mit möglichst wenigen Bauteilen auskommen, dabei sollen möglichst robust und weniger störanfällig sein und zugleich unabhängig von tageszeitlichen und saisonalen Schwankungen der Umgebungstemperatur arbeiten können. Es soll zudem ein robustes System auch bei Off-Design-Bedingungen, also unter Bedingungen, die von denen abweichen, für die die Anlage entworfen wurde, bereitgestellt werden.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch die Gegenstände der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben. Gegenstand der Erfindung ist eine Anordnung zur Umwandlung von Abwärme in mechanische Energie, insbesondere Bewegungsenergie, eine Energieanlage, bei der CO₂ im seinem Zustand als sCO₂ zur Umwandlung von Abwärme in mechanische Energie eingesetzt wird, umfassend

a) eine Pumpe zur Druckerhöhung und zum Transport des CO₂ durch wenigstens eine Leitung innerhalb der Energieanlage,
b) mindestens einen Wärmeübertrager zur Übertragung von Abwärme auf das CO₂ als Trägermedium und Arbeitsmedium in einer Kraftmaschine, insbesondere einer Wärmekraftmaschine, sodass das CO₂ durch die Erwärmung und unter dem entsprechenden Druck im überkritischen Zustand als sCO₂ vorliegen kann,
c) eine Kraftmaschine zur Generierung von mechanischer Energie bzw. Bewegungsenergie mittels des sCO₂, und
d) eine Absorptionskälteanlage zur geregelten Kühlung des aus der Turbine austretenden CO₂, umfassend einen Austreiber und einen Verdampfer, wobei eine Leitung für das aus der Turbine austretende CO₂ umfasst ist, die von der Turbine zum Austreiber und von dort zum Verdampfer der Absorptionskälteanlage führt.

Nach der Erfindung ist zwischen der Kraftmaschine bzw. insbesondere der Turbine und dem Austreiber ein Rekuperator, ein Wärmeübertrager, angeordnet (nachfolgend Bezugnahme als Absatz e) der Beschreibung der Anordnung bzw. der Energieanlage). Auf die zuvor bezeichneten Absätze a) bis e) wird in den nachfolgenden Ausführungen zur Beschreibung der Energieanlage Bezug genommen.
Der Rekuperator als spezieller Wärmeübertrager dient zum Wärmetransfer von dem aus der Kraftmaschine austretenden CO₂ zum zur Kraftmaschine hinführenden sCO₂. Das heißt, die Leitung aus Absatz d) der Beschreibung der Energieanlage führt von der Kraftmaschine zu diesem Rekuperator, von dort zum Austreiber und vom Austreiber zu einem Verdampfer (auch Evaporator genannt), von dem die Leitung zur Pumpe. Weiterhin ist in Pumprichtung nach der Pumpe ein Flussteiler zum Teilen des Stroms aus CO₂ in einen ersten Teilstrom zum Rekuperator und einen zweiten Teilstrom zur Übertragung von Abwärme mittels des Wärmeübertragers angeordnet. Es handelt sich bei der erfindungsgemäßen Anordnung um eine thermoökonomisch optimierte Architektur mit Vorheizung.
Von der vorliegenden Erfindung ist auch umfasst, dass die Leitung auf ihrem Verlauf zu weiteren, zusätzlichen Bauteilen führen kann. Austreiber und Verdampfer sind damit Kühler für den topping-cycle, wobei der Verdampfer bekanntermaßen das Kühlmittel der Absorptionskälteanlage verdampft. In der Erfindung dient der Verdampfer hierbei als Kondensator für das aus der Turbine austretende CO₂, sodass dieses danach als sub-kritisches CO₂, bevorzugt mit einer Temperatur von 20±2 °C, vorliegt.
Gegenstand der Erfindung ist ebenfalls ein Verfahren zur Umwandlung von Abwärme in mechanische Energie, insbesondere Bewegungsenergie, umfassend die Schritte:

a) Druckerhöhung von CO₂ und Transport durch eine Leitung mittels einer Pumpe,
b) Übertragung von Abwärme auf CO₂ als Trägermedium und Arbeitsmedium, so dass das CO₂ im überkritischen Zustand als sCO₂ vorliegt,
c) Generierung von mechanischer Energie aus dem sCO₂ mittels einer Kraftmaschine, beispielsweise einer Turbine,
d) geregelte Kühlung des aus der Kraftmaschine austretenden CO₂ mittels einer Absorptionskälteanlage, umfassend einen Austreiber und einen Verdampfer,

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Nach der Erfindung erfolgt als Verfahrensschritt e) ein Wärmetransfer von dem aus der Kraftmaschine bzw. Turbine austretenden CO₂ hin zum zur Turbine hinführenden sCO₂ in Fließrichtung des CO₂ vor Schritt d) mittels eines zwischen Turbine und Austreiber angeordneten Rekuperators. Auf die zuvor bezeichneten Verfahrensschritte a) bis e) wird in den nachfolgenden Ausführungen Bezug genommen.
Das CO₂ wird nach dem Transport durch die Pumpe in Verfahrensschritt a) durch einen Flussteiler geteilt, wobei ein erster Teil (als zur Kraftmaschine hinführendes sCO₂) zum Rekuperator (in Schritt e) geleitet wird und ein zweiter Teil zur Übertragung von Abwärme in Verfahrensschritt b) (d. h. zum Wärmeübertrager in Absatz b) der Energieanlage) geleitet wird. Die Übertragung von Abwärme in Verfahrensschritt b) erfolgt sinnvollerweise mittels mindestens eines Wärmeübertragers.
Erfindungsgemäß wird der Strom des CO₂ nach Kühlung am Austreiber und Verdampfer und nach der Pumpe durch den Flussteiler gesplittet, wobei ein erster Teil zum Rekuperator (in Schritt e) des Verfahrens bzw. Absatz e) der Energieanlage) geleitet wird, und ein anderer, zweiter Teil zum erfindungsgemäßen Wärmeübertrager in Schritt b) des Verfahrens bzw. Absatz b) der Energieanlage geleitet wird. Wie sich für den Fachmann ergibt, führen also sinnvollerweise Leitungen von dem Flussteiler zum Rekuperator und vom Flussteiler zum Wärmeübertrager (aus Absatz b) der Energieanlage).
Die erfindungsgemäße Aufgabe wird somit durch eine kombinierte Systemkonfiguration gelöst, bei der das für die Abwärmenutzung mit einer maximalen Prozesstemperatur von rund 450 °C optimierte sCO₂-System („Topping“-System, mit Vorheizung) mit einer H₂O/LiBr-Absorptionskälteanlage als „Bottoming“-System so kombiniert wird, dass das „Bottoming“-System die Steuerung für die Wärmeabfuhr vornimmt bzw. den Controller ausbildet.
Gegenstand der Erfindung ist insbesondere auch die Verwendung der erfindungsgemäßen Energieanlage im erfindungsgemäßen Verfahren. Darüber hinaus ist Gegenstand der Erfindung die Verwendung einer Absorptionskälteanlage als Temperaturregler, umfassend einen Austreiber und einen Verdampfer, in Zusammenwirken mit einem Rekuperator, der dem Wärmetransfer zwischen zwei CO₂-Strömen dieser Energieanlage dient. Die Absorptionskälteanlage dient als Temperaturregler für die Wärmeabfuhr aus dem CO₂-System einer Energieanlage. Denn die Kombination von Austreiber und Verdampfer, die Teile der Absorptionskälteanlage sind, mit dem Rekuperator ermöglicht, je nach Massestrom bzw. Fließgeschwindigkeit der Ströme, die konstante Einstellung einer Kühlleistung der Energieanlage - unabhängig von einer externen Kühlung, z. B. mittels Kühlwasser, und deren Temperatur. Dies hat den Vorteil, dass die Energieanlage saisonal unabhängig betrieben werden kann.
Ausführungen zu den Schritten des erfindungsgemäßen Verfahrens a) bis e) gemäß Anspruch 7 und der Beschreibung des Verfahrens gelten in gleicher Weise für die Bauteile der Energieanlage gemäß den Absätzen a) bis e) gemäß Anspruch 1 und der Beschreibung der Energieanlage. Dies gilt gleichermaßen auch umgekehrt.
Bei der genutzten Abwärme handelt es sich beispielsweise um Abwärme eines Abgases, beispielsweise eines Industrieabgases, das bei einem industriellen Prozess anfällt. Die Arbeitsweise der Absorptionskälteanlage ist in den Ausführungsbeispielen ausführlicher erläutert.
Erfindungsgemäß ist auch umfasst, dass das CO₂ im gesamten System der Energieanlage bzw. über den gesamten Verfahrensablauf den überkritischen Zustand als sCO₂ beibehält, d. h. dass beispielsweise das sCO₂ vor der Pumpe noch eine Temperatur von 35 °C aufweist und damit im überkritischen Zustand unter einem entsprechenden Druck vorliegt. Die Erfindung sieht den Einsatz von sCO₂ als Trägermedium für die Energie der Abwärme und als Arbeitsmedium in der Energieanlage vor, wobei die Wärmeenergie mit dem CO₂ als Arbeitsmedium in einem Wärmekraftprozess in mechanische und insbesondere in mechanischer bzw. insbesondere Bewegungsenergie umgewandelt werden soll.
Nach der Erfindung wird das CO₂-System der Energieanlage auch zum Betrieb des Austreibers bzw. Generators der Absorptionskälteanlage genutzt. Dazu wird das CO₂, welches aus der Kraftmaschine bzw. beispielsweise der Turbine austritt mittels der Absorptionskälteanlage sequenziell durch den Austreiber und den Verdampfer gekühlt. Mittels Schritt e) des Verfahrens bzw. des Rekuperators gemäß Absatz e) der Beschreibung der erfindungsgemäßen Energieanlage findet noch davor eine Vorkühlung des aus der Turbine austretenden CO₂ statt, wobei im Gegenzug das CO₂, das zu der Kraftmaschine bzw. beispielsweise der Turbine hin geführt wird, vorgeheizt wird.
Dieser Rekuperator, der auch Regenerator bzw. interner Rekuperatur genannt wird, ist ein Wärmeübertrager, bevorzugt ein Hochtemperatur-Rekuperator. Der Rekuperator ist nötig, um den Massestrom im CO₂-Kreislauf erhöhen zu können. Ohne den Rekuperator wäre die niedrige Temperatur der Abwärme mancher Industrieabgase ein Hindernis für eine effiziente Umwandlung in mechanische Energie bzw. insbesondere Bewegungsenergie. Denn es ist ein wesentlicher Vorteil der Erfindung, dass mit ihr auch Wärmeträgermedien, mit denen die Abwärme bei geringer Temperatur, nämlich einer Maximaltemperatur von 450 °C, ausgetragen wird, genutzt und mit hoher Effizienz in mechanische Energie bzw. insbesondere Bewegungsenergie umgewandelt werden können.
In der Erfindung profitiert der Zyklus der Absorptionskälteanlage von der Abwärme, die das CO₂ nach dem Rekuperator aus Schritt e) des Verfahrens bzw. Absatz e) der Beschreibung der Energieanlage trägt, denn sie ist die Energiequelle, die nötig ist, um die Absorptionskälteanlage zu betreiben.
Bekanntermaßen wird bei Absorptionsanlagen, wie beispielsweise einer LiBr/H₂O-Anlage, eine Energiequelle im Austreiber (auch Generator genannt) benötigt, um das Wasser aus dem Wasser-LiBr-Gemisch (Mischung aus Kältemittel und Salzlösung der Absorptionskälteanlage) zu verdampfen. Im Anschluss wird dieser Kältemitteldampf im Kondensator kondensiert, entspannt (bevorzugt mittels eines Expansionsventils) und in der flüssigen Phase bei niedriger Temperatur im Verdampfer, wobei das Kühlmittel Wasser verdampft. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wird zur Kühlung des CO₂-Massenstroms, der einen Teilstrom des aus der Kraftmaschine bzw. der Turbine austretenden CO₂ darstellt, genutzt. Am Kondensator der Absorptionskälteanlage findet eine Kühlung mit Kühlwasser statt, wobei die Temperatur dieses Kühlwassers nur einen geringen bis gar keinen Einfluss auf den stabilen Betrieb der Energieanlage hat.
Es sei darauf hingewiesen, dass herkömmliche Absorptionssysteme (wie beispielsweise LiBr/H₂O-Absorptionssysteme) in der Regel eine interne Wärmerückgewinnungsvorrichtung (SHX-Ausrüstung) enthalten, um die Effizienz des Absorptionssystems zu erhöhen.
Mit der vorliegenden Erfindung wird jedoch ein vereinfachtes Absorptionssystem offenbart, bei dem die interne Wärmerückgewinnung, die innerhalb der Absorptionskälteanlage mittels eines internen Rekuperators erfolgt, weggelassen werden kann. Vorteil ist, dass damit die Kosten der Energieanlage gesenkt werden können und eine höhere Wärmeabfuhr aus dem sCO₂-System ermöglicht wird. Die Absorptionskälteanlage liefert schließlich das Kühlmittel, um den Topping-Zyklus auf einer optimalen Temperatur zu halten. Dies erhöht die Leistung der erfindungsgemäßen Energieanlage nennenswert.
Vorteilhafterweise ist damit für die Kühlung des CO₂ kein üblicherweise eingesetztes Kühlwasser nötig, welches externen, saisonalen Schwankungen unterliegen kann und die gesamte Anlage inklusive Wirkungsgrad anpassungsbedürftig machen würde. Die Kühlung des CO₂ ist so effektiv und gleichbleibend möglich, dass konstant und über saisonale Schwankungen (wie beispielsweise bei Kühlwasser der Fall) hinweg der subkritische Bereich bei ca. 20±5 °C des CO₂ vor der Pumpe erreicht werden kann und der Betrieb vor allem stabil und gleichbleibend ist. Die Nutzleistung des sCO₂-Prozess zur Abwärmenutzung ist kaum verringert, trotz saisonbedingter Erhöhung der Außentemperaturen.
Durch diese Konstanz verfügt die erfindungsgemäße Konfiguration auch bei Off-Design-Bedingungen über hohe thermoökonomische Performance. Es kommt darüber hinaus nicht zum Auftreten von lokalen Zweiphasenströmungen am Eintritt in die Pumpe. Denn das hätte negative Auswirkungen auf die Stabilität des Verfahrens und die Lebensdauer der Energieanlage. Es findet dadurch eine geregelte Kühlung statt. Austreiber und Verdampfer der Absorptionskälteanlage dienen als Temperaturregler für die Wärmeabfuhr. Die Temperaturregelung erfolgt bevorzugt sinnvollerweise über eine Änderung der Masseströme.
Die Erfindung stellt durch die allgemeine Anordnung von Kraftmaschine bzw. Turbine, Pumpen, Rekuperatoren und externen Wärmeübertragern des sCO₂-Kreislaufs eine „Kreislaufarchitektur“ dar und erreicht eine Stabilisierung des Betriebsverhaltens der erfindungsgemäßen Anordnung. Der Verdampfer der Absorptionskälteanlage arbeitet als Kühler der Energieanlage (d. h. des Topping-Systems), so dass aus dem dort vorliegenden CO₂-Strom Wärme auf CO₂-Ströme mit niedrigerer Temperatur übertragen wird.
Vorteilhafterweise arbeitet die erfindungsgemäße Anordnung mit höheren, überkritischen Drücken, so dass das CO₂ unmittelbar vor der Kraftmaschine, beispielsweise der Turbine, im überkritischen Bereich vorliegt, was die Effizienz am Generator erhöht. Vorteilhaft ist außerdem, dass auf interne Rekuperatoren der Absorptionskälteanlage verzichtet werden kann. Die Erfindung kommt daher auch mit weniger Bauteilen aus.
Die Erfindung ist deshalb einfach zu realisieren, verringert die Anzahl von Bauteilen in der Anlage und schließlich ist die nutzbringende Aufnahme und Wandlung der Abwärme verbessert. Eine externe Wärmequelle für die Absorptionsanlage ist nicht mehr nötig. Auch auf einen Vorkühler für das aus der Turbine austretende, heiße CO₂ mit eigenem Kühlkreislauf kann verzichtet werden. Die Kühlung des sCO₂ erfolgt ausschließlich durch die Absorptionskälteanlage, wobei mittels des Schrittes e) des Verfahrens bzw. dem Rekuperator in Absatz e) gemäß Anspruch 1, gerichtet auf die Anordnung zur Umwandlung von Abwärme in mechanische bzw. Bewegungsenergie, bzw. der Beschreibung der erfindungsgemäßen Anordnung das heiße CO₂ vorgekühlt wird. Die Erfindung wird durch die folgenden bevorzugten Ausführungsformen charakterisiert, ohne auf diese beschränkt zu sein.
Eine Ausführungsform der Erfindung, bei der die Energieanlage mindestens zwei Wärmeübertrager zur Übertragung von Abwärme auf CO₂ als Träger- und Arbeitsmedium umfasst, hat sich als vorteilhaft erwiesen. Das heißt, in Schritt b) des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die Abwärme auf das CO₂ als Trägermedium in mindestens zwei Stufen, einer Vorheizung und einer Hauptheizung, übertragen. In einer bevorzugten Ausführungsform wird der eine, erste Teilstrom des CO₂-Stroms nach dem Rekuperator in Verfahrensschritt e) mit dem zweiten Teilstrom des CO₂-Stroms, welcher vom Flussteiler zum Wärmeübertrager in Absatz b) geführt wird, so vereint, dass beide Teilströme zusammen den Wärmeübertrager als ersten Wärmeübertrager (Hauptheizer - zur Aufnahme der Abwärme durch das CO₂) passieren.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform hat der andere, zweite Teilstrom des CO₂-Stroms zuvor einen zweiten Wärmeübertrager (zweiter Heizer - zur Aufnahme der Abwärme durch das CO₂) passiert, bevor dieser zweite Teilstrom mit dem ersten Teilstrom vereint wird und beide gemeinsam den ersten Wärmeübertrager passieren. Naturgemäß ist die Temperatur, die der erste Wärmeübertrager bereitstellt, höher als die vom zweiten Wärmeübertrager bereitgestellte Temperatur, da das Medium, welches die Abwärme bereitstellt und als Abwärmestrom heranführt, am ersten Wärmeübertrager noch wesentlich heißer ist als am zweiten Wärmeübertrager. Die zuletzt beschriebene Ausführungsform nutzt demnach ein Vorheizen mittels des zweiten Wärmeübertragers.
Es hat sich als vorteilhaft erwiesen, wenn die Leitung für das aus der Turbine austretende CO₂ so ausgeführt ist, dass mindestens 85 Vol.-% des CO₂-Stroms des aus der Kraftmaschine, insbesondere der Turbine, austretenden CO₂ zum Austreiber und danach zum Verdampfer geleitet werden. Somit werden mindestens 85 Vol.-% des Stroms des aus der Turbine austretenden CO₂ mittels der Absorptionskälteanlage geregelt gekühlt. Bevorzugt sind es mindestens 90 %, besonders bevorzugt 95 %.
Das heißt, dass vor dem Austreiber, insbesondere auch zwischen Rekuperator und Austreiber, kein Ventil zur Abzweigung eines Teils ≥15 % des CO₂ zu einem Rekompressionszyklus innerhalb der Leitung vorhanden ist. Bevorzugt handelt es sich daher um 100 % des CO₂ und die Leitung, die das aus der Turbine austretende CO₂ führt und zwischen Turbine und Austreiber verläuft, weist kein Ventil an dieser Stelle auf, d. h. der gesamte CO₂-Strom wird mittels Austreiber und Verdampfer gekühlt.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung führt die Leitung zwischen Austreiber und Verdampfer der Absorptionskälteanlage an einem Sub-Kühler vorbei. Das heißt, der Strom des aus der Turbine austretenden CO₂ wird nach Kühlung am Austreiber an einem Sub-Kühler vorbeigeführt, bevor er zum Verdampfer der Absorptionskälteanlage geleitet wird. Diese Ausführung ist vorteilhaft, da sie die Kühlleistung am Verdampfer erhöht. In einer bevorzugten Ausführung der Erfindung ist die Absorptionskälteanlage eine LiBr/H₂O-Absorptionskälteanlage.
Vorteilhafterweise umfasst die Energieanlage einen Generator, mechanisch verbunden mit der Turbine, zur Gewinnung von elektrischem Strom, bzw. in Schritt c) des Verfahrens wird zusätzlich aus der gewonnenen mechanischen bzw. Bewegungsenergie der Kraftmaschine bzw. Turbine noch mittels eines an die Kraftmaschine mechanisch gekoppelten Generators Strom erzeugt. Vorzugsweise liegt die Temperatur des CO₂ vor Eintritt in die Pumpe bei 20±5 °C, sodass das CO₂ dort im sub-kritischen Zustand vorliegt.
Es hat sich bei der Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens als vorteilhaft erwiesen, wenn in Schritt b) die Abwärme von einem Medium, einem Abwärmestrom, übertragen wird, das eine maximale Temperatur von 450 °C aufweist. In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens liegt in Schritt e) die Temperatur des aus der Turbine austretenden CO₂ bei 150±20 °C und nach dem Wärmetransfer in Schritt e) bei 75±10 °C, bevorzugt vorher bei 145-155 °C und nachher bei 70-80 °C. Besonders bevorzugt wird dabei im Gegenzug das zur Turbine hinführende sCO₂, welches in Schritt e) aufgeheizt wird, von 23±5 °C auf 120±20 °C geheizt, insbesondere von 20-25 °C auf 115-125 °C.
In einer bevorzugten Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens beträgt in Schritt d) die Temperatur des zu kühlenden CO₂ am Eintritt des Austreibers mindestens 60 °C, vorzugsweise mindestens bei 65 °C. Ein Temperaturbereich von 75±10 °C hat sich als vorteilhaft erwiesen, wobei der Temperaturbereich zwischen 70 und 80 °C die besten Ergebnisse gebracht hat. Dem entspricht eine Ausführungsform, bei der das von der Turbine zum Rekuperator strömende CO₂ nach dem Austritt aus dem Rekuperator eben diese Temperaturen aufweist. Die thermische Effektivität beim Wärmeaustausch ist somit limitiert und liegt bei ca. 85-95 %.
Für die Realisierung der Erfindung ist es auch zweckmäßig, die vorbeschriebenen erfindungsgemäßen Ausgestaltungen, Ausführungsformen und Merkmale der Ansprüche miteinander zu kombinieren.
Nachfolgend soll die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen eingehender erläutert werden, die die Erfindung näher beschreiben, ohne sie jedoch zu beschränken. 1 zeigt eine erste Ausführungsform der Erfindung. 2 zeigt eine zweite Ausführungsform der Erfindung mit zusätzlichem Sub-Kühler. 3 zeigt die Lage des überkritischen Bereichs in einem Entropie-Temperatur-Diagramm.
Ausführungsbeispiel 1 wird durch 1 mit einem Kreislauf des überkritischen CO₂, des sCO₂ dargestellt. In den nachfolgenden Darlegungen wird das CO₂ durchgängig als Arbeitsmedium bezeichnet, da es für das erfindungsgemäße Verfahren, ausgeführt in der erfindungsgemäßen Anordnung, dessen bevorzugte Ausführungsformen beschrieben werden, das Arbeitsmedium eines Wärmekraftprozesses bzw. einer Wärmekraftmaschine darstellt.
In dem Kreislauf wird der Druck des Arbeitsmediums durch eine Pumpe 1 über den kritischen Druck angehoben, der dann in Leitung 2 herrscht. An einem Flussteiler 3 wird das Arbeitsmedium in zwei Ströme auf die Leitungen 4 und 5 aufgeteilt, wobei das Arbeitsmedium in Leitung 4 durch einen Hochtemperatur-Rekuperator 6 und das Arbeitsmedium in Leitung 5 durch einen zweiten Wärmeübertrager 7 geführt wird.
Das Arbeitsmedium in Leitung 8, der Fortsetzung der Leitung 4 nach dem Hochtemperatur-Rekuperator 6, gewinnt die Wärme aus dem Arbeitsmedium in Leitung 19 mittels des Hochtemperatur-Rekuperators 6 zurück. Das Abgas in Leitung 15 erwärmt das Arbeitsmedium mittels des zweiten Wärmeübertragers 7, sodass das Arbeitsmedium eine Temperatur erreicht, mit der es dann in Leitung 9 strömt. Ein Mischer 10 mischt die Arbeitsmedien aus den Leitungen 8 und 9, das resultierende Arbeitsmedium strömt in Leitung 11 zu einem ersten Wärmeübertrager 12 (dem Hauptheizer), während Abgas als Träger der zur Nutzung als Energiequelle vorgesehenen Abwärme durch die in den Wärmeübertrager 12 eintretende Leitung 14 das Arbeitsmedium erhitzt.
Die Turbine 17 entspannt das Arbeitsmedium, das in Leitung 13 zuströmt, bis es in Leitung 19 eintritt, und überträgt die dabei entstehende mechanische Energie zum Generator 18. Am Ausgang der Turbine 17, beim Eintritt in die Leitung 19, bleibt das Arbeitsmedium im unterkritischen Druck. Das Arbeitsmedium erreicht durch Leitung 19 den Hochtemperatur-Rekuperator 6 und wird dort durch das Arbeitsmedium aus Leitung 4, von der kalten Seite, abgekühlt und fließt über Leitung 20 zu einem Austreiber 23 einer Lithiumbromid-Wasser-Absorptionskälteanlage. Die Wärme des Arbeitsmediums, vorliegend im Niederdruck in Leitung 20 versorgt den Absorptionskälteprozess in der Absorptionskälteanlage, indem mittels der Energie aus dem Arbeitsmedium das Absorptionsgemisch aus LiBr-Salzlösung und Wasser im Austreiber 23 wieder getrennt wird. Anschließend wird das Arbeitsmedium über Leitung 21 mit reduzierter Temperatur im Verdampfer 31 kondensiert. Schließlich wird das Arbeitsmedium über Leitung 22 mit niedriger Temperatur in die Pumpe 1 zurückgeführt und schließt den Vorwärmzyklus ab.
In der Lithiumbromid-Absorptionskälteanlage ist Wasser (H₂O) das Kältemittel, während Lithiumbromid (LiBr) das Absorptionsmittel ist. Im Austreiber 23 nimmt die schwache Lithiumbromidlösung Wärme aus dem Arbeitsmedium, das in Leitung 20 zuströmt, auf, um das Kältemittel (Wasser) zu verdampfen. Daraufhin strömt der Wasser-Dampf aus dem Austreiber 23 als Kältemitteldampf in Leitung 24 in den Kondensator 25 und kondensiert zu dem Zustand, in dem er in den Auslass 28 eintritt. Kühlmittel, beispielsweise Kühlwasser, wird über die Kühlmittelanschlüsse 26, 27 zugeführt.
Das unter hohem Druck stehende flüssige Kältemittel, das durch die Leitung 28 strömt, dehnt sich an einem Expansionsventil 29 aus, wodurch der Druck des Kältemittels in der vom Expansionsventil 29 abgehenden Leitung 30 auf den niedrigen Druck im Verdampfer 31 sinkt. Das Kältemittel verdampft zum gesättigten Dampfkältemittel, indem es die Wärme aus dem gekühlten Arbeitsmedium in Leitung 21 im Verdampfer 31 aufnimmt, und tritt in Leitung 32 ein.
Das Kältemittel, hier Wasser, im Zustand gesättigten Dampfs tritt durch Leitung 32 in einen Absorber 33 ein, um von der starken Salzlösung (LiBr-Lösung) absorbiert zu werden. Eine Pumpe 35 erhöht den Druck der nun verdünnten, ihr über Leitung 34 zuströmenden LiBr-H₂O-Lösung und führt sie über Leitung 36 zum Einlass in den Austreiber 23, wo das Wasser ausgetrieben wird. Die nun wieder konzentrierte LiBr-Salzlösung verlässt den Austreiber 23 über Leitung 37, dehnt sich an einem Drosselventil 38 aus und tritt über Leitung 39 in den Absorber 33 ein. Über Kühlanschlüsse 40, 41 wird im Absorber 33 Wärme abgeführt, beispielsweise mittels Kühlwasser.
Ausführungsbeispiel 2:
Ausführungsbeispiel 2 wird durch 2 dargestellt. Hier wird der Strom des aus der Turbine 17 austretenden Arbeitsmediums nach Kühlung am Austreiber 23 an einem Sub-Kühler 42 vorbeigeführt.
3 zeigt eine Darstellung der Einordnung des überkritischen Bereichs von CO₂-Prozessen, die je nach der zu nutzenden Wärmequelle in unterschiedlichen Prozessschaltungen ausgeführt werden können.
Zitierte Nichtpatentliteratur:
Wu, C.; Shun-sen, W.; Feng, X-j.; Li, Jun
Energy, exergy and exergoeconomic analyses of a combined supercritical CO₂ recompression Brayton/absorption refrigeration cycle
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Bezugszeichen

1: Pumpe (der Energieanlage)
2: Leitung für CO₂ (Hochdruck)
3: Flussteiler
4: Leitung für CO₂ (Hochdruck, erster Teilstrom)
5: Leitung für CO₂ (Hochdruck, zweiter Teilstrom)
6: Rekuperator (Wärmeübertrager)
7: zweiter Wärmeübertrager (zweiter Heizer, Abwärme auf CO₂)
8: Leitung für CO₂ (Hochdruck, erster Teilstrom)
9: Leitung für CO₂ (Hochdruck, zweiter Teilstrom)
10: Mischer mit Drossel
11: Leitung für CO₂ (Hochdruck)
12: erster Wärmeübertrager (Hauptheizer, Abwärme auf CO₂)
13: Leitung für CO₂ (Hochdruck)
14, 15, 16: Leitung für Abwärmestrom
17: Kraftmaschine, Turbine
18: Generator
19, 20, 21, 22: Leitung für CO₂ (Niederdruck)
23: Austreiber (der Absorptionskälteanlage)
24: Leitung für H₂O (Kältemitteldampf der Absorptionskälteanlage)
25: Kondensator (der Absorptionskälteanlage)
26, 27: Anschluss für Kühlwasser für den Kondensator
28: Leitung für H₂O (Wasser)
29: Expansionsventil (der Absorptionskälteanlage)
30: Leitung für H₂O (Wasser)
31: Verdampfer
32: Leitung für H₂O (Wasser)
33: Absorber (der Absorptionskälteanlage)
34: Leitung für LiBr/H₂O (verdünnte Lösung)
35: Pumpe (der Absorptionskälteanlage)
36: Leitung für LiBr/H₂O (verdünnte Lösung, Mischung Kältemittel und Salzlösung)
37: Leitung für LiBr (konzentrierte Lösung)
38: Drosselventil
39: Leitung für LiBr (konzentrierte Lösung)
40, 41: Anschluss für Kühlwasser für den Absorber
42: Sub-Kühler/Vorkühler
43: Leitung für H₂O (Wasser)
44: Leitung für Kühlwasser für den Subkühler des CO₂
50: überkritischer Bereich
51: unterkritischer Bereich
52: Mischphasengebiet
s: Entropie
T: Temperatur

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

CN 112412555 A [0008, 0009]
CN 109519243 B [0010]

Claims

Anordnung zur Umwandlung von Abwärme in mechanische Energie unter Einsatz von Kohlendioxid (CO₂) im überkritischen Zustand (sCO₂), umfassend a) eine Pumpe (1) zur Druckerhöhung und zum Transport des CO₂ durch wenigstens eine Leitung (2), b) wenigstens einen Wärmeübertrager (7, 12) zur Übertragung von Abwärme auf das CO₂ als Trägermedium und Arbeitsmedium, so dass das CO₂ im überkritischen Zustand als sCO₂ vorliegen kann, c) eine Kraftmaschine (17) zur Generierung von mechanischer Energie mittels des sCO₂, und d) eine Absorptionskälteanlage zur geregelten Kühlung des aus der Kraftmaschine (17) austretenden CO₂, umfassend einen Austreiber (23) und einen Verdampfer (31), wobei eine Leitung für das aus der Kraftmaschine (17) austretende CO₂ (19) umfasst ist, die von der Kraftmaschine (17) zum Austreiber (23) und von dort zum Verdampfer (31) der Absorptionskälteanlage führt, dadurch gekennzeichnet, dass e) zwischen Kraftmaschine (17) und Austreiber (23) ein Rekuperator (6) zum Wärmetransfer von dem aus der Kraftmaschine (17) austretenden CO₂ zum zur Kraftmaschine (17) hinführenden sCO₂ angeordnet ist, und dass in Pumprichtung nach der Pumpe (1) ein Flussteiler (3) zum Teilen des Stroms aus CO₂ in einen ersten Teilstrom zum Rekuperator (6) und einen zweiten Teilstrom zur Übertragung von Abwärme mittels des wenigstens einen Wärmeübertragers (7, 12) angeordnet ist.
Anordnung nach Anspruch 1, wobei eine Leitung (19) für das aus der Kraftmaschine (17) austretende CO₂ so ausgeführt ist, dass mindestens 85 Vol.-% des Stroms des aus der Kraftmaschine (17) austretenden CO₂ zum Austreiber (23) und danach zum Verdampfer (31) geleitet werden.
Anordnung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei eine Leitung (21) zwischen Austreiber (23) und Verdampfer (31) der Absorptionskälteanlage an einem Sub-Kühler (42) zur weiteren Abkühlung vorbeiführt.
Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, umfassend mindestens zwei Wärmeübertrager (7, 12) zur Übertragung von Abwärme auf CO₂ als Trägermedium und Arbeitsmedium, wobei einer der Wärmeübertrager (7, 12) zur Vorheizung dient.
Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Absorptionskälteanlage eine LiBr/H₂O-Absorptionskälteanlage ist.
Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, umfassend einen Generator (18) zur Gewinnung von Strom, mechanisch verbunden mit der als Turbine ausgeführten Kraftmaschine (17).
Verfahren zur Umwandlung von Abwärme in mechanische Energie, umfassend die Schritte: a) Druckerhöhung und Transport von CO₂ mittels einer Pumpe (1), b) Übertragung von Abwärme auf CO₂ als Trägermedium und Arbeitsmedium, so dass das CO₂ im überkritischen Zustand als sCO₂ vorliegt, und c) Generierung von mechanischer Energie aus dem sCO₂ mittels einer Kraftmaschine (17), d) geregelte Kühlung des aus der Kraftmaschine (17) austretenden CO₂ mittels einer Absorptionskälteanlage, umfassend einen Austreiber (23) und einen Verdampfer (31), wobei das aus der Kraftmaschine (17) über eine Leitung (19) austretende CO₂ zuerst mittels des Austreibers (23) und danach mittels des Verdampfers (31) der Absorptionskälteanlage gekühlt wird, dadurch gekennzeichnet, dass e) vor Schritt d) mittels eines zwischen Kraftmaschine (17) und Austreiber (23) angeordneten Rekuperators (6) ein Wärmetransfer von dem aus der Kraftmaschine (17) durch die Leitung (19) austretenden CO₂ hin zu dem in einer Leitung (4) zur Kraftmaschine (17) hinführenden sCO₂ stattfindet, und dass das CO₂ nach dem Transport durch die Pumpe (1) in Schritt a) durch einen Flussteiler (3) geteilt wird, wobei ein erster Teilstrom durch die Leitung (4) zu dem Rekuperator (6) in geleitet wird, und ein anderer, zweiter Teilstrom durch eine Leitung (5) zur Übertragung von Abwärme in Schritt b) geleitet wird.
Verfahren nach Anspruch 7, wobei mindestens 85 Vol.-% des Stroms des aus der Kraftmaschine (17) austretenden CO₂ mittels der Absorptionskälteanlage geregelt gekühlt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 7 oder 8, wobei in Schritt b) die Abwärme auf das CO₂ als Trägermedium und Arbeitsmedium in mindestens zwei Stufen, einer Vorheizung und einer Hauptheizung, übertragen wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 9, wobei der erste Teilstrom des CO₂-Stroms nach dem Rekuperator (6) in Schritt e) mit dem zweiten Teilstrom des CO₂-Stroms so vereint wird, dass beide Teilströme zusammen in Schritt b) die Abwärme aufnehmen können.
Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 10, wobei die Temperatur des CO₂ vor Eintritt in die Pumpe (1) bei 20±5 °C liegt und das CO₂ dort im sub-kritischen Zustand vorliegt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 11, wobei in Schritt b) die Abwärme von einem Medium übertragen wird, das maximal eine Temperatur von 450 °C aufweist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 12, wobei in Schritt e) die Temperatur des aus der Turbine austretenden CO₂ bei 150±20 °C liegt und nach dem Wärmetransfer in Schritt e) bei 75±10 °C liegt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 13, wobei in Schritt d) die Temperatur des zu kühlenden CO₂ am Eintritt des Austreibers 75±10 °C beträgt.
Verwendung einer Absorptionskälteanlage als Temperaturregler, umfassend einen Austreiber (23) und einen Verdampfer (31), in Zusammenwirken mit einem Rekuperator (6) zum Wärmetransfer zwischen zwei CO₂-Strömen in zwei Leitungen (19, 4) einer Energieanlage, dadurch gekennzeichnet, dass die Absorptionskälteanlage als Temperaturregler für die Wärmeabfuhr aus dem CO₂-System der Energieanlage dient.