DE19541521A1 - Steigerung des elektrischen Wirkungsgrades bei der Verstromung von Sondergasen - Google Patents

Steigerung des elektrischen Wirkungsgrades bei der Verstromung von Sondergasen

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Guenter Kesselmann
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    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02B—INTERNAL-COMBUSTION PISTON ENGINES; COMBUSTION ENGINES IN GENERAL
    • F02B41/00—Engines characterised by special means for improving conversion of heat or pressure energy into mechanical power
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01K—STEAM ENGINE PLANTS; STEAM ACCUMULATORS; ENGINE PLANTS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; ENGINES USING SPECIAL WORKING FLUIDS OR CYCLES
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
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Description

In vielen Anlagen zur Behandlung von Abfall- oder Reststoffen (Mülldeponien, Klär­ anlagen . . . ) fallen als Nebenprodukt sogenannte Sondergase, wie z. B. Deponie- oder Klärgase, an. Grundsätzlich müssen diese Sondergase aus Sicherheitsgründen gefaßt und einer energetischen Nutzung oder einer geordneten Entsorgung zuge­ führt werden. Für die energetische Nutzung derartiger Gase werden zunehmend Blockheizkraftwerke (BHKW) auf der Basis von Verbrennungsmotoren eingesetzt. Diese Blockheizkraftwerke ermöglichen die gekoppelte Erzeugung der Nutzenergie­ formen Strom und Wärme mit einer hohen Stromkennzahl und gewährleisten damit grundsätzlich auch einen hohen Ausnutzungsgrad der eingesetzten Energieträger.
Technisches Gebiet zu dem die Erfindung gehört Energetische Nutzung von Sondergasen Problem
Der vorgestellte grundsätzliche Vorteil der BHKW kann bei vielen Sondergasquellen nicht genutzt werden, da die entsprechenden Wärmeabnehmer fehlen. Damit wer­ den ca. 50% der eingesetzten Energien in Form von (Ab)-Wärme auf einem relativ niedrigen Temperaturniveau ungenutzt an die umgebende Atmosphäre abgegeben. Dieser Zustand ist aus ökologischen und ökonomischen Gründen unbefriedigend.
Problemlösung/Erfindung
Um die bisher ungenutzt freigesetzte Wärme einer weitergehenden energetischen Verwertung zuzuführen, wird das BHKW mit einer Wärme-Kraft-Maschine gekoppelt, die den Exergieanteil der Niedertemperaturwärme zur Stromerzeugung nutzt. Als Wärme-Kraft-Maschine werden dabei Turbinen sowie Kolben- und Schraubenmoto­ ren mit geeigneten Arbeitsmedien (Wasser, organische Substanzen) eingesetzt. Durch die Kopplung dieser beiden stromerzeugenden Maschinen wird die Stromaus­ beute aus den Sondergasen wesentlich gesteigert und damit ein Beitrag zur Umwelt­ entlastung von klimaschädigenden Spurengasen geleistet.
Beispielhafte Ausführung der beanspruchten Erfindung
In Bild 1 ist das Schaltschema eines derartigen Gesamtsystems am Beispiel einer Kombination aus BHKW und einer ORC-Anlage (Organic-Rankine-Cycle) des Ge­ samtsystems dargestellt.
In einer konventionellen Verbrennungskraftmaschine, dem BHKW (1) wird das Sondergas verbrannt. Dabei wird die im Sondergas gebundene chemische Energie (Heizwert) in exergiereiche Hochtemperaturwärme umgewandelt. Ein Teil der Exergie dieser Wärme wird wiederum zur Erzeugung elektrischer Energie genutzt. Die exergiearme Restwärme wird über den Kühlwasserwärmeübertrager (2) und über den Rauchgaswärmeübertrager (3) auf das Kreislauffluid des angekoppelten ORC-Prozesses übertragen. Mit der übertragenen Wärme wird in diesem Kreisprozeß eine unter hohem Druck stehende organische Flüssigkeit verdampft. Der Hochdruckdampf wird in einer Turbine (4) entspannt. Die dabei freiwerdende mechanische Arbeit wird im Generator (5) zur Stromerzeugung genutzt. Nach der Entspannung wird der organische Dampf bei niedrigem Druck und tiefer Temperatur im Kondensator (6) verflüssigt. In der Umwälzpumpe (7) wird die Flüssigkeit wiederum auf ein hohes Druckniveau gebracht.
Vorteile gegenüber dem Stand der Technik/Quantitative Abschätzung
Die Vorteile des skizzierten Verfahrens werden beispielhaft für die Kopplung eines heißgekühlten Blockheizkraftwerkes mit einem ORC-Prozeß quantitativ dargestellt. Konventionelle Blockheizkraftwerke, die für die Nutzung von Sondergasen geeignet sind, weisen einen elektrischen Wirkungsgrad von ca. ηel = 0,35 und einen Gesamt­ nutzungsgrad von ca. ηges = 0,85 auf. Damit werden ca. 50% der eingesetzten Energie als potentiell nutzbare Wärme bereitgestellt. Über Kühlwasserwärmeüber­ trager und Rauchgaswärmeübertrager läßt sich eine Wärme mit einer Mischtempera­ tur von ca. 130°C für eine weitere Nutzung im ORC-Prozeß bereitstellen. Der elek­ trische Wirkungsgrad eines ORC-Prozesses, der mit Wärme von ca. 130°C betrie­ ben wird, liegt bei ηel = 0,11. Damit kann der elektrische Wirkungsgrad des gekoppel­ ten Gesamtprozesses auf rd. ηel = 0,41 gesteigert werden.

Claims (1)

  1. Anlage zur Steigerung des elektrischen Wirkungsgrades bei der Verstromung von Sondergasen mittels Verbrennungsmotoren, dadurch gekennzeichnet, daß die Abwärme (Kühlwasser, Rauchgas etc.) des Motors in einer nachgeschalteten Energieumwandlungsanlage (Turbine, Schrauben- oder Kolbenmotor) zur weiteren Stromerzeugung genutzt wird.
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