DE202015103407U1 - Combined heat and power system - Google Patents
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Abstract
Kraft-Wärme-Kopplungs-System zum Erzeugen von elektrischer und thermischer Energie durch Verbrennen fester Biomasse in einem Wärmeerzeuger (1), wobei das System einen ORC-Kreislauf (4) mit einem Arbeitsfluid, einer Turbine (7) und einem mit der Turbine (7) mechanisch verbundenen Stromgenerator (8) zum Erzeugen der elektrischen Energie sowie einem Verflüssiger (10) zum Erzeugen der thermischen Energie und einer Arbeitsfluidpumpe (12) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass – das System einen Zwischenwärmekreislauf (2) mit Thermoöl als Zwischenwärmeträgermedium aufweist, wobei der Zwischenwärmekreislauf (2) einen ersten, im Wärmeerzeuger angeordneten Wärmeübertrager, sowie einen zweiten, als Verdampfer (6) des ORC-Kreislaufs (4) ausgebildeten und einen dritten (5), im ORC-Kreislauf (4) in Strömungsrichtung des Arbeitsfluids vor dem Verdampfer (6) angeordneten Wärmeübertrager sowie eine Thermoölpumpe (3) umfasst; – das Arbeitsfluid des ORC-Kreislaufs (4) ein Fluorketon ist; – die Arbeitsfluidpumpe (12) eine Kolbenmembran-Pumpe mit einer Membran aus Ethylen-Propylen-Dien-Kautschuk ist; – die Turbine (7) eine Radialturbine ist, auf deren Turbinenwelle der Stromgenerator (8) angeordnet ist; und – der Wärmeerzeuger (1), der Zwischenwärmekreislauf (2) und der ORC-Kreislauf (4) als eine Einheit ausgebildet sind.Combined heat and power system for generating electrical and thermal energy by burning solid biomass in a heat generator (1), the system comprising an ORC circuit (4) with a working fluid, a turbine (7) and with the turbine (3). 7) mechanically connected power generator (8) for generating the electrical energy and a condenser (10) for generating the thermal energy and a working fluid pump (12), characterized in that - the system comprises a Zwischenwärmekreislauf (2) with thermal oil as the intermediate heat transfer medium wherein the intermediate heat circuit (2) a first, arranged in the heat generator heat exchanger, and a second, designed as an evaporator (6) of the ORC circuit (4) and a third (5) in the ORC circuit (4) in the flow direction of the working fluid before the evaporator (6) arranged heat exchanger and a thermal oil pump (3) comprises; - the working fluid of the ORC circuit (4) is a fluoroketone; - The working fluid pump (12) is a piston diaphragm pump with a membrane of ethylene-propylene-diene rubber; - The turbine (7) is a radial turbine, on the turbine shaft, the power generator (8) is arranged; and - the heat generator (1), the intermediate heat circuit (2) and the ORC circuit (4) are formed as a unit.
Description
Die Erfindung betrifft ein Kraft-Wärme-Kopplungs-(KWK)-System, das auf Basis der thermischen Nutzung fester Biomasse elektrischen Strom und thermische Energie auf einem heizungsüblichen Niveau zur Verfügung stellt. The invention relates to a combined heat and power (CHP) system that provides electrical power and thermal energy at a heating-standard level based on the thermal utilization of solid biomass.
Es wurde Jahre lang der Nutzung sekundärer Energieformen kaum Beachtung geschenkt, die aus Quellen der Primärenergie gewonnen werden können. Heute kommt daher besonders die Notwendigkeit zum Tragen, die Primärenergiequellen auf das Beste auszuschöpfen, um aus Letzteren die größtmögliche Energiemenge in jeder möglichen Form zu gewinnen mit dem Ziel, Primärenergie einzusparen und die Schadstoffemissionen zu verringern. For years, little attention has been paid to the use of secondary forms of energy that can be extracted from primary energy sources. Today, therefore, there is a particular need to make the most of primary energy sources in order to extract the largest possible amount of energy in every possible form from the latter with the aim of saving primary energy and reducing pollutant emissions.
Zur Erreichung dieses Ziels wurden zum Beispiel sogenannte Kraft-Wärme-Kopplungsanlagen eingerichtet, die elektrische und Wärmeenergie aus einer einzigen Quelle und in einem einzigen Prozess erzeugen. To achieve this goal, for example, so-called combined heat and power plants have been set up, which generate electrical and thermal energy from a single source and in a single process.
Aus dem Stand der Technik sind für diese Kraft-Wärme-Kopplungsanlagen Verfahrenskonzepte zur Nutzung der in Biomasse gespeicherten chemischen Energie durch Verbrennung und einen nachfolgenden Kreisprozess, zum Beispiel Wasserdampfkraftprozess oder ORC-Prozess, in dem die Wärmeenergie anteilig in mechanische Energie und schließlich in elektrische Energie umgewandelt wird, bekannt. From the prior art are for these combined heat and power plant process concepts for the use of stored in biomass chemical energy by combustion and a subsequent cycle, for example steam power or ORC process in which the heat energy proportionate to mechanical energy and finally into electrical energy is converted, known.
Bei der Verbrennung wird die chemische Energie der Biomasse zunächst in thermische Energie umgewandelt. An die Verbrennung schließt sich eine Dampferzeugung oder nur eine Wärmeübertragung auf ein Trägermedium wie Wasser oder Luft an. Bei der Umwandlung in thermische Energie lassen sich in der Regel hohe Wirkungsgrade von bis zu 90 % erreichen. During combustion, the chemical energy of the biomass is first converted into thermal energy. The combustion is followed by steam generation or only heat transfer to a carrier medium such as water or air. When converted to thermal energy, high efficiencies of up to 90% can generally be achieved.
Es existieren eine Reihe technischer Möglichkeiten der Erzeugung elektrischer Energie aus, z. B. mittels eines Verbrennungsprozesses gewonnener, thermischer Energie. Ein bekanntes, hocheffizientes Verfahren ist beispielsweise die Umwandlung thermischer Energie in mechanische Energie und weiter in elektrische Energie unter Nutzung des Generatorprinzips. There are a number of technical possibilities of generating electrical energy, z. B. obtained by a combustion process, thermal energy. A well-known, highly efficient method is, for example, the conversion of thermal energy into mechanical energy and further into electrical energy using the generator principle.
Während für die Nutzung fester fossiler Brennstoffe in Großanlagen Wasserdampfkraftprozesse mit Dampfturbinen dominieren, konkurrieren für die kleineren Anlagen, wie sie für die Biomassenutzung erforderlich sind, verschiedene Verfahren. Dies liegt vor allem darin begründet, dass die Wasserdampfkraftprozesse mit Dampfturbinen in kleineren Leistungsgrößen mit schlechten Wirkungsgraden behaftet sind. While steam power plants with steam turbines dominate the use of solid fossil fuels in large-scale plants, different processes compete for the smaller plants required for biomass use. This is mainly due to the fact that the steam power processes are associated with steam turbines in smaller sizes with poor efficiencies.
Insbesondere im Fall, dass das zur Verfügung stehende Temperaturgefälle zwischen Wärmequelle und -senke zu niedrig für den Betrieb einer von Wasserdampf angetriebenen Turbine ist, wird statt des Wasserdampfkraftprozesses der Organic Rankine Cycle-(ORC)-Prozess eingesetzt. In particular, in the case that the available temperature gradient between heat source and sink is too low for the operation of a steam driven turbine, the Organic Rankine Cycle (ORC) process is used instead of the steam power process.
Der ORC-Prozess ist ein Verfahren des Betriebs von Dampfturbinen, bei dem als Arbeitsmittel anstelle von Wasserdampf organische Flüssigkeiten mit einer niedrigen Verdampfungstemperatur verwendet werden. The ORC process is a process of steam turbine operation that uses organic liquids with a low evaporation temperature as the working medium instead of water vapor.
Das Hauptproblem von zentralen Kraft-Wärme-Kopplungsanlagen mit hoher Leistung liegt in ihren relativ hohen Installationskosten, da diese Anlagen sowohl den Anschluss an ein Verteilernetz der elektrischen als auch ein Verteilernetz der Wärmeenergie erfordern. Derartige Kraft-Wärme-Kopplungsanlagen erfordern daher hohe Anfangsinvestitionen. The main problem with high power centralized cogeneration plants is their relatively high installation costs, since these systems require both connection to an electrical distribution network and a distribution network of thermal energy. Such combined heat and power plants therefore require high initial investment.
Für den Einsatz eines kleinen KWK-Systems, d. h. mit einer elektrischen Leistung von maximal 10 kW und einer thermischen Leistung von maximal 65 kW, sind die bislang verfolgten Ansätze mit zu hohen Investitionskosten verbunden. Ein wesentlicher Nachteil von Strömungsmaschinen mit kleinem Volumenfluss sind zudem die relativ geringen Wirkungsgrade, d. h. für Strömungsmaschinen mit kleiner Leistung sind die Verluste in klassischen Lauf- und Leitradsystemen zu groß. Notwendig sind daher neuartige Systeme, die eine ausreichend hohe Effizienz sowie eine preiswerte Konstruktion und einen einfachen, d. h. kostengünstigen mit geringem technischem Aufwand, Betrieb erlauben. For the use of a small cogeneration system, d. H. With an electrical power of 10 kW maximum and a maximum thermal output of 65 kW, the approaches pursued so far are associated with excessively high investment costs. A major disadvantage of turbomachines with a small volume flow are also the relatively low efficiencies, d. H. for turbomachines with low power losses in classical run and Leitradsystemen are too large. What is needed, therefore, are novel systems which have sufficiently high efficiency as well as a low cost construction and a simple, ie. H. cost-effective with little technical effort, operation permit.
Die
Diese Vorrichtung zur Energierückgewinnung ist jedoch nicht für die reine Stromerzeugung optimiert und eignet sich nicht zum Einspeisen von elektrischer Energie in ein Stromversorgungsnetz. However, this energy recovery device is not optimized for pure power generation and is not suitable for feeding electrical energy into a power grid.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Kraft-Wärme-Kopplungs-(KWK)-System für eine stationäre, dezentrale Erzeugung von elektrischer und thermischer Energie im elektrischen Leistungsbereich von weniger als 10 kWel und im thermischen Leistungsbereich von maximal 65 kWth bereit zu stellen, das durch einen kompakten Aufbau und einen hohen Wirkungsgrad gekennzeichnet ist, wobei das System kostengünstig installierbar und betreibbar sein soll. Zusätzlich sollen für den Betrieb des Systems regenerative Energieträger, wie holz- oder halmgutartige Biomassen, einsetzbar sein. The object of the invention is to provide a combined heat and power (CHP) system for a stationary, decentralized generation of electrical and thermal energy in the electric power range of less than 10 kWel and in the thermal power range of up to 65 kWth is characterized by a compact design and high efficiency, the system should be inexpensive to install and operate. In addition, should be used for the operation of the system regenerative energy sources, such as wood or halmgutartige biomasses.
Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt gemäß Schutzanspruch 1; zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung finden sich in den Unteransprüchen. The solution of this task is carried out according to
Gemäß der Erfindung wird ein stationäres, kompaktes KWK-System bereitgestellt, dessen Leistungsniveau bei maximal 10 kWel und 65 kWth liegt, wobei die zur Verfügung gestellte thermische Energie auf einem heizungsüblichen Niveau liegt. According to the invention, a stationary, compact CHP system is provided, whose power level is a maximum of 10 kWel and 65 kWth, wherein the thermal energy provided is at a heating standard level.
Das KWK-System umfasst einen Heizkessel, einen Zwischenwärmekreislauf und einen ORC-Kreislauf. The CHP system includes a boiler, an intermediate heat cycle and an ORC cycle.
In dem Heizkessel, der als Festbrennstoffheizkessel ausgebildet ist, wird durch Verbrennung von vorzugsweise fester, nachwachsender Biomasse, beispielsweise Holz, Wärmeenergie erzeugt, welche in einem, im oder an dem Heizkessel angeordneten, Wärmetauscher auf ein Thermoöl, das als Zwischenwärmeträgermedium des Zwischenwärmekreislaufs fungiert, übertragen wird. In the boiler, which is designed as a solid fuel boiler, heat energy is generated by combustion of preferably solid, renewable biomass, such as wood, which in a, arranged in or on the boiler, heat exchanger to a thermal oil, which acts as an intermediate heat transfer medium of the intermediate heat cycle transmitted becomes.
Der Heizkessel und der Wärmetauscher sind vorzugsweise derart gestaltet, dass während des Betriebs des KWK-Systems das Thermoöl nach dem Erhitzen eine Temperatur von etwa 200°C aufweist. The boiler and the heat exchanger are preferably designed such that during operation of the CHP system, the thermal oil after heating has a temperature of about 200 ° C.
Der Zwischenwärmekreislauf weist eine Fluidenergiemaschine, z. B. in Form einer Thermoölpumpe, auf, die im Betrieb des KWK-Systems ein kontinuierliches Fließen des Thermoöls in dem Zwischenwärmekreislauf bewirkt, den eben genannten Wärmeübertrager zur Übertragung von in dem Heizkessel erzeugten Wärmeenergie auf den Zwischenwärmekreislauf sowie weitere Wärmeübertrager zur Übertragung von Wärmeenergie vom Zwischenwärmekreislauf auf den ORC-Kreislauf des KWK-Systems. The intermediate heat cycle has a fluid energy machine, for. B. in the form of a thermal oil pump, which causes a continuous flow of thermal oil in the intermediate heat cycle during operation of the CHP system, the aforementioned heat exchanger for the transmission of heat energy generated in the boiler to the intermediate heat cycle and other heat exchangers for the transmission of heat energy from the intermediate heat cycle to the ORC cycle of the CHP system.
Das erhitzte Thermoöl überträgt die (Wärme-)Energie auf den ORC-Kreislauf vorzugsweise mittels je eines als Verdampfer und eines als Vorwärmer ausgeführten Wärmeübertragers, wobei der Verdampfer im Zwischenwärmekreislauf in Strömungsrichtung vor dem Vorwärmer angeordnet ist, sodass die im Thermoöl nach Durchlauf des Verdampfers verbliebene restliche thermische Energie im Vorwärmer zur Erwärmung des Arbeitsfluids des ORC-Kreislaufs nutzbar ist. The heated thermal oil transfers the (heat) energy to the ORC circuit, preferably by means of a respective heat exchanger designed as an evaporator and a preheater, wherein the evaporator is arranged in the intermediate heat cycle in the flow direction in front of the preheater, so that the remaining in the thermal oil after passing through the evaporator remaining thermal energy in the preheater for heating the working fluid of the ORC circuit is available.
Im ORC-Kreisprozess wird das im Vorwärmer erwärmte organische Arbeitsfluid im Verdampfer unter Aufnahme von Wärmeenergie verdampft. Ein Teil der von dem verdampften Arbeitsfluid aufgenommenen Energie wird als mechanische Energie an einer, im ORC-Kreislauf in Strömungsrichtung des Arbeitsfluids hinter dem Verdampfer angeordneten, Strömungsmaschine, vorzugsweise einer Turbine, dem Kreislauf entzogen. In the ORC cycle, the organic working fluid heated in the preheater is evaporated in the evaporator while absorbing heat energy. A portion of the energy absorbed by the vaporized working fluid is withdrawn as mechanical energy at a, in the ORC circuit in the flow direction of the working fluid behind the evaporator arranged turbomachine, preferably a turbine, the circuit.
Diese Strömungsmaschine ist in fester Einheit mit einem Stromgenerator gekoppelt, mit welchem aus der mittels der Strömungsmaschine generierten mechanischen Energie elektrische Energie in einem Leistungsbereich bis maximal 10 kW erzeugbar ist. This turbomachine is coupled in a fixed unit with a power generator, with which from the generated by means of the turbomachine mechanical energy electrical energy in a power range up to 10 kW can be generated.
Diese elektrische Energie kann unter Verwendung einer parallel zu einem öffentlichen oder privaten Stromnetz geschalteten Schalttafel mit Phaseneinstellungsvorrichtungen in dasselbe eingespeist werden. This electrical energy can be fed into it using a phasing panel connected in parallel to a public or private power grid.
Das aus der Strömungsmaschine strömende Arbeitsfluid wird weiter über einen als Rekuperator ausgebildeten Wärmeübertrager (d. h. einen inneren Wärmeübertrager) geführt, welcher während des Betriebs des Systems einen Teil der thermischen Energie des Arbeitsfluids bereits an dieser Position des Kreislaufs wieder auf das Arbeitsfluid des ORC-Kreislaufs überträgt, das in den Vorwärmer strömt. The working fluid flowing out of the turbomachine is further passed through a heat exchanger (ie, an internal heat exchanger) designed as a recuperator, which, during operation of the system, transfers part of the thermal energy of the working fluid back to the working fluid of the ORC cycle already at this position of the circuit that flows into the preheater.
In einem in Strömungsrichtung hinter dem Rekuperator angeordnetem Wärmeübertrager, im Folgenden Kondensator genannt, wird das noch gasförmige Arbeitsfluid unter Abgabe von Wärmeenergie kondensiert. Die Kondensation erfolgt z. B. bei einem Druck von etwa 2,6 bar und einer Temperatur von etwa 80°C. Hierbei wird dem ORC-Kreislauf der Hauptteil der Energie in Form von thermischer Energie entzogen. In a downstream of the recuperator arranged in the flow direction heat exchanger, hereinafter referred to as the condenser, the still gaseous working fluid is condensed with release of heat energy. The condensation takes place z. B. at a pressure of about 2.6 bar and a temperature of about 80 ° C. The main part of the energy in the form of thermal energy is withdrawn from the ORC cycle.
Der Kondensator kann an einen Heizkreislauf zur Beheizung von Gebäuden angeschlossen sein und arbeitet vorzugsweise mit Temperaturen im Bereich von 65°C bis 80°C, d. h. auf einem heizungsüblichen Niveau. The condenser may be connected to a heating circuit for heating buildings and preferably operates at temperatures in the range of 65 ° C to 80 ° C, i. H. at a heating standard.
Der ORC-Kreislauf weist ferner einen Arbeitsfluid-Sammler auf, welcher in Strömungsrichtung hinter dem Kondensator angeordnet ist. Der Sammler ist derart ausgebildet, dass das gesamte im ORC-Kreislauf umlaufende Arbeitsfluid (in flüssiger Form) aufnehmbar ist. The ORC circuit further includes a working fluid collector disposed downstream of the condenser. The collector is designed so that the entire circulating in the ORC cycle working fluid (in liquid form) is receivable.
Über eine Arbeitsfluidpumpe des ORC-Kreislaufs wird das aus dem Sammler strömende Arbeitsfluid über den Rekuperator und den Vorwärmer wieder zum Verdampfer gedrückt. Als Arbeitsfluidpumpe ist bevorzugt eine Kolbenmembran-Pumpe mit EPDM (Ethylen-Propylen-Dien-Kautschuk) Membran eingesetzt. Via a working fluid pump of the ORC circuit, the working fluid flowing out of the collector is forced back to the evaporator via the recuperator and the preheater. As a working fluid pump, a piston diaphragm pump with EPDM (ethylene-propylene-diene rubber) membrane is preferably used.
Das Arbeitsfluid des ORC-Kreislaufs ist vorzugsweise ein Fluorketon mit einem Siedepunkt weit unter 100°C. The working fluid of the ORC cycle is preferably a fluoroketone having a boiling point well below 100 ° C.
Das erfindungsgemäße KWK-System ist derart ausgebildet, dass alle wesentlichen Bestandteile, d. h. Heizkessel, Zwischenwärmekreislauf und ORC-Kreislauf mit Turbine und Stromgenerator, eine Einheit bilden. Somit ist das KWK-System vollständig in einem einzigen, vergleichsweise kleinen Gehäuse, z. B. einem 40-Fuß-ISO-Container, unterbringbar. The CHP system according to the invention is designed such that all essential components, ie. H. Boiler, intermediate heat circuit and ORC circuit with turbine and power generator to form a single unit. Thus, the CHP system is completely in a single, relatively small housing, z. B. a 40-foot ISO container, housed.
Ein wesentlicher Vorteil des KWK-Systems ist seine geringe Dimensionierung hinsichtlich sowohl elektrischer und thermischer Energieerzeugung als auch hinsichtlich seiner Abmessungen, wobei das System trotz dieser geringen Dimensionierungen aufgrund des Einsatzes eines Fluorketons als Arbeitsfluid im ORC-Kreislauf effizient betreibbar ist. A major advantage of the CHP system is its small dimensions in terms of both electrical and thermal power generation as well as in terms of its dimensions, the system is efficiently operated despite these small dimensions due to the use of a fluoroketone as working fluid in the ORC cycle.
Somit kann das KWK-System kostengünstig, dezentral eingesetzt werden. Thus, the CHP system can be used inexpensively, decentralized.
Ein zweiter Vorteil des Fluorketons ist sein vernachlässigbarer Einfluss auf die globale Klimaerwärmung, falls es, z. B. durch eine Havarie, in die Atmosphäre gelangt. A second advantage of fluoroketone is its negligible impact on global warming, if it is, for. B. by an accident, enters the atmosphere.
Ein weiterer Vorteil des Fluorketons ist seine Nichtbrennbarkeit. Daher eignet sich das Fluid vor allem im Hinblick auf den Einsatz in räumlicher Nähe zu einer Festbrennstofffeuerung. Another advantage of fluoroketone is its non-combustibility. Therefore, the fluid is particularly suitable for use in close proximity to solid fuel firing.
Gemäß einer Ausführungsform ist die Turbine eine Radialturbine, wobei der Stromgenerator direkt auf der Turbinenwelle angeordnet ist. According to one embodiment, the turbine is a radial turbine, wherein the power generator is arranged directly on the turbine shaft.
Die Erfindung wird anhand der beiliegenden Figur näher beschrieben, die ein Blockschaltbild des erfindungsgemäßen KWK-Systems zeigt. The invention will be described in more detail with reference to the accompanying figure, which shows a block diagram of the CHP system according to the invention.
In dem Spezial-Biomasse-Heizkessel
Das Arbeitsfluid wird weiter über den Rekuperator
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 1 1
- Wärmeerzeuger / Heizkessel Heat generator / boiler
- 1.1 1.1
- Wärmeübertrager Heat exchanger
- 2 2
- Zwischenwärmekreislauf Between heat cycle
- 3 3
- Thermoölpumpe Thermal oil pump
- 4 4
- ORC-Kreislauf ORC cycle
- 5 5
- Wärmeübertrager / Vorwärmer Heat exchanger / preheater
- 6 6
- Wärmeübertrager / Verdampfer Heat exchanger / evaporator
- 7 7
- Turbine turbine
- 8 8th
- Stromgenerator power generator
- 9 9
- Wärmeübertrager / Rekuperator Heat exchanger / recuperator
- 10 10
- Verflüssiger condenser
- 11 11
- Arbeitsfluid-Speicher Working fluid storage
- 12 12
- Arbeitsfluidpumpe Working fluid pump
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
R207 | Utility model specification | ||
R150 | Utility model maintained after payment of first maintenance fee after three years | ||
R151 | Utility model maintained after payment of second maintenance fee after six years | ||
R082 | Change of representative |
Representative=s name: WERNER, ANDRE, DR., DE |
|
R152 | Utility model maintained after payment of third maintenance fee after eight years |