DE202012004909U1

DE202012004909U1 - Vorrichtung als ORC-Stromerzeugung aus Abwärmeanlagen über Wärmespeicher

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Publication number: DE202012004909U1
Application number: DE202012004909U
Authority: DE
Original assignee: Horst Wittkowski
Current assignee: RENEWABLE POWER PARKS B.V., NL
Priority date: 2012-05-19
Filing date: 2012-05-19
Publication date: 2012-10-16
Anticipated expiration: 2022-05-20

Abstract

Vorrichtung zur Erzeugung elektrischen Stroms aus allen möglichen Anlagen und Medien, insbesondere von Geothermie, Solarthermie, Biomasse, BHKW-Anlagen, Turbinen, alle Industrieprozesse, und/oder allen Anlagen die mit Energieträgern wie Erdgas, Heizöl, Biogas, Biomethan oder auch Deponie-, Klär- oder Grubengas, versorgt werden, und andererseits ein Abwärme solcher Anlagen. Die Vorrichtung, dadurch gekennzeichnet dass zum Einsatz der Vorrichtung mindestens ein Wärmespeicher und ein ORC-Prozess in der Anlage eingesetzt wird, welche zumindest aus den Komponenten: Frigen Arbeitskreis (4), Wärmetauscher (5) für die Aufwärmung des Arbeitsmittels und für die Verdampfung des Arbeitsmittels, Wärmetauscher (6) für die Kondensation des Arbeitsmittels und die Wärmerückgewinnung, Pumpe (7), Turbine (8), Generator (9), Frequenzgleichrichter (10) besteht, wobei das Arbeitsmittel eingesetzt wird und die Verdampfung und die Kondensation des Arbeitsmittels unterhalb von 90°C erfolgt, sie umfasst also zumindest einen ORC-Prozess.

Description

Es betrifft eine Vorrichtung als ORC-Stromerzeugungsanlage (elektrischen Stroms), die aus der Abwärme aller möglichen Anlagen und Medien über einen Wärmespeicher als Energiezentrale optimal und flexibel sowie kontinuierlich betrieben werden kann. Insbesondere Geothermie, Solarthermie, Biomasse, BHKW-Anlagen, Turbinen, alle Industrieprozesse, und/oder allen Anlagen die mit Energieträgern wie Erdgas, Heizöl, Biogas, Biomethan oder auch Deponie-, Klär- oder Grubengas, versorgt werden, und andererseits ORC-Anlagen zur Erzeugung elektrischen Stroms aus der Abwärme solcher Anlagen. Die Vorrichtung umfasst zumindest einen ORC-Prozess, wobei als Entspannungsorgan eine für Druckluftbetrieb geeignete Turbine, welche mit dem Arbeitsmittel ölfrei betrieben wird.
Durch die Förderung der Verstromung nicht fossiler Rohstoffe (biogene Rohstoffe, Deponie- und Klärgas, aber auch Grubengas), bspw. mittels Biogas, Biomethan, Biomasse in Kraft-Wärme-Kopplungsanlagen(KWK)-Anlagen durch das EEG-Gesetz wurden in der Vergangenheit eine Vielzahl solcher Anlagen in der ländlichen Gegend, d. h. insbesondere dort oder außerhalb der Ortschaften, errichtet. Diese Anlagen sind oftmals dadurch gekennzeichnet, dass die anfallende Abwärme nur in geringem Umfang energetisch genutzt wird oder in Ermangelung von entsprechenden Abnehmern genutzt werden kann. Die Ursache liegt somit insbesondere darin begründet, dass die entsprechenden Wärmesenken fehlen.
Somit bestehen bei den meisten Abwärmeanlagen meistens keine oder nur begrenzte Abwärmenutzungsmöglichkeiten, insbesondere Nahwärmenetze, Beheizung oder Kühlung von Räumlichkeiten, Nutztierhaltung, Trocknungsprozesse, Hygienisierungsprozesse, Gewerbe- und/oder Industrieprozesse, die aber alle keine ganzjährige kontinuierliche flexible Abwärmenutzung mit wenig Verlust garantieren.
Zur Lösung dieses Problems bieten sich grundsätzlich unterschiedliche Technologien an, welche aus dem Stand der Technik an sich bekannt sind. Bei einer dieser Technologien handelt es sich um den ORC(Organic-Rankine-Cycle)-Prozess. Bei dem ORC-Prozess handelt es sich grundsätzlich um einen geschlossenen Kreislauf (Rechtsprozess) eines organischen Arbeitsmittels. Bekannte ORC-Anlagen besitzen derzeit nur Wirkungsgrade von bis zu 18%.
Beispielhaft ist in folgendem Schaltbild (Anlage 2) ein solcher Prozess dargestellt. Die Wärmequelle kann bspw. ein Thermoölkreislauf sein, der das Abgas eines BHKW's von 470°C auf 150°C abgekühlt. Dieses Thermoöl gibt seine Wärme an den ORC-Kreislauf ab, wo das Arbeitsmittel verdampft und in einer Turbine (Expander) entspannt wird. Anschließend wird das Arbeitsmedium wieder kondensiert und mittels einer Pumpe wieder dem Verdampfer zugeführt. Der Generator, welcher der Turbine nachgeschaltet ist, erzeugt die elektrische Energie.
Diese vorhandene Technologie hat folgende Nachteile:

1. Sie ist hauptsächlich nur im größeren Leistungsbereich ab ca. 400 kWel. verfügbar,
2. Es werden i. allg. adaptierte Dampfturbinen zur Entspannung des Arbeitsmediums eingesetzt, wodurch sich der Anlagenpreis stark erhöht,
3. Es werden Arbeitstemperaturen deutlich über 120°C benötigt,
4. Die Motorabwärme von BHKW's wird beim Einsatz von Dampfkreisläufen und Entspannung in Turbinen nicht genutzt.

Aufgabe ist es, mittels dieser Vorrichtung die Abwärme von Abwärmeanlagen im Temperaturbereich unter 90°C zur Elektroenergieerzeugung nutzbar zu machen, diesen Prozess durch Nutzung adaptierter Standard-Komponenten aus anderen Bereichen kostengünstig zu gestalten und die Technik für Abwärmeanlagen aller Leistungsbereiche über Wärmespeicher, aller Temperaturbereiche über Wärmetauscher, verfügbar zu machen. Diese Aufgabe der Vorrichtung wird gemäß den Merkmalen nach Anspruch 1 gelöst.
Wesentlich ist, dass die Vorrichtung zumindest einen Wärmespeicher und einen ORC-Prozess umfasst, wobei als Entspannungsorgan eine für Druckluftbetrieb geeignete Turbine (8), welche mit dem Arbeitsmittel ähnlich R 134a und ölfrei betrieben wird und ein Generator (9) welche in dem Gehäuse (13) angeordnet sind.
Mit dieser Vorrichtung wird es erstmals möglich, mittels eines kostengünstigen ORC-Prozesses die ungenutzte Abwärme von Anlagen in allen Leistungsbereichen mit einem ORC-Wirkungsgrad größer 30% zu nutzen und in elektrische Energie umzuwandeln. Damit wird die energetische Effizienz solcher Abwärmeanlagen signifikant erhöht. Das bisher schon vorhandene, jedoch ungenutzte, Abwärmepotential kann nunmehr durch ein erfindungsgemäßes Nachrüsten der Vorrichtung mit Wärmespeicher oder in kompl. neu projektierte Anlagen besser und flexibler genutzt werden. Die somit erzeugte gesamte Elektroenergie kann in bekannter Art und Weise verwendet werden. Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann die ungenutzte Abwärme von Abwärmeanlagen, insbesondere von Geothermie, Solarthermie, Biomasse, BHKW-Anlagen, Turbinen, alle Industrieprozesse, und/oder allen Anlagen die mit Energieträgern wie Erdgas, Heizöl, Biogas, Biomethan oder auch Deponie-, Klär- oder Grubengas, versorgt werden, und andererseits eine Anlage zur Erzeugung elektrischen Stroms aus der Abwärme solcher Anlagen.
Mit der Vorrichtung kann die ungenutzte Abwärme von allen Leistungsbereichen verwendet und in elektrische Energie umgewandelt werden. Vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung werden durch die Merkmale der Ansprüche 2 bis 6 angegeben, ohne die Vorrichtung damit zu beschränken. Bevorzugt ist, dass mm Einsatz der Vorrichtung mindestens eine ORC-Anlage eingesetzt wird, welche zumindest aus den Komponenten: Frigen Arbeitskreis (4), Wärmetauscher (5) für die Aufwärmung des Arbeitsmittels für die Verdampfung des Arbeitsmittels, Wärmetauscher (6) für die Kondensation des Arbeitsmittels mit Wärmerückgewinnung, Pumpe (7), Turbine (8), Generator (9), Frequenzgleichrichter (10) besteht, wobei das Arbeitsmittel eingesetzt wird und die Verdampfung und die Kondensation des Arbeitsmittels unterhalb von 90°C erfolgt.
Bedeutend ist außerdem, dass mit einem Energieeinsatz von z. B. 140 kW (Abwärme bis 90°C) ca. 50 kW Elektroenergie (vor Abzug des Eigenverbrauches) erzeugt werden können. Diese Aufgabe der Vorrichtung wird außerdem durch eine Anlage gemäß den Merkmalen nach Anspruch 7 gelöst. Erfindungswesentlich ist, dass diese Anlage zumindest einen ORC-Prozess umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass wobei das Entspannungsorgan eine für einen Druckluftbetrieb geeignete Turbine (8) ist, welche mit dem Arbeitsmittel ähnlich R 134a und ölfrei betreibbar ist, die Stromerzeugung über einen Generator (9) erfolgt.
Mit dieser Vorrichtung wird es möglich, mittels eines kostengünstigen ORC-Prozesses die ungenutzte Abwärme von Abwärmeanlagen in allen Leistungsbereichen über die Wärmespeicher zu nutzen und in elektrische Energie umzuwandeln. Bei veranschlagten 8.000 Vollbenutzungsstunden kann die ORC-Anlage ohne großen Wartungsaufwand betrieben werden.
Die folgend genannten Aggregateziffern, wie bspw. Turbine (8), beziehen sich auf das Schaltbild nach Anlage 1.
Bezugszeichenliste

1: Heizkreis – Abwärme vom BHKW Medium Wasser, Wärmeentnahmeleistung z. B. ca. 140 kW
2: Umwälzpumpe Heizkreis
3: Regelung Heizkreis
4: Frigen Arbeitskreis
5: Wärmetauscher Flüssigphase zur Dampfphase
6: Wärmetauscher Dampfphase zur Flüssigphase mit Rückgewinnung
7: Verdichterpumpe – Druckerhöhung der Flüssigkeitsphase
8.: Turbine
9.: Generator – elektrische Leistung z. B. ca. 50 kW
10: Frequenzgleichrichter – zur direkten Einspeisung des Stroms mit 400 V und 50 Hz in das öffentliche Stromnetz
11: Sammler Flüssigkeitsphase
12: Regelung für Druck/Temperaturen der Turbine
13: Gestell für Turbine 7 Generator

Claims

Vorrichtung zur Erzeugung elektrischen Stroms aus allen möglichen Anlagen und Medien, insbesondere von Geothermie, Solarthermie, Biomasse, BHKW-Anlagen, Turbinen, alle Industrieprozesse, und/oder allen Anlagen die mit Energieträgern wie Erdgas, Heizöl, Biogas, Biomethan oder auch Deponie-, Klär- oder Grubengas, versorgt werden, und andererseits eine Anlage zur Erzeugung elektrischen Stroms aus der Abwärme solcher Anlagen. Die Vorrichtung, dadurch gekennzeichnet dass zum Einsatz der Vorrichtung mindestens ein Wärmespeicher und ein ORC-Prozess in der Anlage eingesetzt wird, welche zumindest aus den Komponenten: Frigen Arbeitskreis (4), Wärmetauscher (5) für die Aufwärmung des Arbeitsmittels und für die Verdampfung des Arbeitsmittels, Wärmetauscher (6) für die Kondensation des Arbeitsmittels und die Wärmerückgewinnung, Pumpe (7), Turbine (8), Generator (9), Frequenzgleichrichter (10) besteht, wobei das Arbeitsmittel eingesetzt wird und die Verdampfung und die Kondensation des Arbeitsmittels unterhalb von 90°C erfolgt, sie umfasst also zumindest einen ORC-Prozess.