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Die Erfindung betrifft ein Verfahren für die Gewinnung elektri-
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scher oder mechanischer Energie aus heißer geothermischer Sole, insbesondere
Verfahren zur Wärmeübertragung von der heißen Sole auf ein Arbeitsmedium in einem
sekundären Kreislauf zu dessen Verdampfung für den Antrieb von Kraftmaschinen unter
anschließender Verflüssigung sowie Druckerhöhung und Rückführung des Arbeitsmediums
im sekundären Kreislauf für eine erneute Verdampfung innerhalb eines Rankine-Prozesses
und eine Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens.
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Um Wärmeenergie geothermischer Sole zu entziehen und in lektrische
oder mechanische Energie umzuwandeln, wird in kommerziellen Anlagen die aus der
Erde mit bestimmten Drücken und Temperaturen austretende heiße geothermische Sole
in einem Entspannungsgefäß auf einenniedrigerenDruckhEmperatur entspannt, der entstehende
Dampf abgetrennt und einer Arbeitskraftmaschine, beispielsweise einer Turbine oder
einem Dampfmotor, für die Erzeugung elektrischer Energie zugeführt. Der größere,
nicht verdampfte Teil der Sole wird über ein Entspannungsgefäß ungenutzt abgeleitet.
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Gleiches gilt auch für den hinter der Turbine anfallenden Abdampf,
der entweder direkt in die Atmosphäre oder durch Kondensation verflüssigt in die
Umgebung abgeführt wird. Ein wesentlicher Anteil des Energieinhaltes der geothermischen
Sole bleibt hierbei ungenutzt. Des weiteren enthält aber auch der Dampf aus der
heißen geothermischen Sole gelöste und ungelöste mineralische Verunreinigungen und
nicht kondensierbare Gase, die die Arbeitsmaschine belasten und zu Korrosions- und
Erosionsschäden führen.
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In einem Verfahren, für das bereits Pilotanlagen existteren, wird
Wärmeenergie der heißen Sole in einem konventionellen Wärmetauscher auf ein Arbeitsmedium
in einem sekundären Kreislauf - hierfür kommen vor allem Kältemittel infrage - übertragen,
in welchem die geothermische Sole einerseits und das Arbeitsmedium im sekundären
Kreislauf andererseits über die Heizflächen im indirekten Wärmetausch stehen. Das
Arbeitsmedium im sekundären Kreislauf wird hierbei erwärmt und verdampft und desset
dampf
einer Arbeitsmaschine zur elektrischen Stromerzeugung zugeführt. Hinter der Arbeitsmaschine
wird der Dampf des Arbeitsmediums kondensiert, mit einer Pumpe im Druck erhöht und
zum Wärmetauscher zurückgeführt, wodurch dessen Kreislauf geschlossen wird (Rankine-Kreisprozeß).
Auf diesem Wege kann eine erhebliche Verbesserung der Energieausbeute erzielt werden.
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Da jedoch die geothermische Sole häufig erhebliche Mengen an gelösten
und suspendierten mineralischen Verunreinigungen enthält, führt diese Lösung verhältnismäßig
schnell zu Verkrustungs-, Verstopfungs- und Korrosionsproblemen im konventionellen
Wärmetauscher, der die Energie von der geothermischen Sole auf das Arbeitsmedium
im sekundären Kreislauf überträgt.
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Es sind des weiteren Verfahren vorgeschlagen worden, in denen der
konventionelle Wärmetauscher zur Ubertragung der Energie der geothermischen Sole
auf das Arbeitsmedium im sekundären Kreislauf durch einen mehrstufigen Entspannungsverdampfer
ersetzt wird, wie er aus Meerwasserentsalzungsanlagen bekannt ist.
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Derartige Lösungen bieten den Vorteil, daß sie Verkrustungen an Wärmeaustauschflächen
vermeiden, da die geothermische Sole mit hohen Gehalten an gelösten Salzen nicht
mehr mit den Wärmeaustauschflächen in Kontakt gebracht wird. Das Arbeitsmedium im
sekundären Kreislauf fließt durch horizontale Rohrbündel, die im oberen Teil der
hintereinandergeschalteten Stufen des Entspannungsverdampfers angeordnet sind und
als Kondensatoren für den Dampf dienen, der im unteren Teil der Stufen aus der im
Gegenstrom fließenden geothermischen Sole durch stufenweise Druckabsenkung ausdampft.
Dabei wird das Arbeitsmedium im sekundären Kreislauf kontinuierlich durch Aufnahme
der Kondensationswärme aufgeheizt und verdampft und die geothermische Sole durch
Abgabe der Verdampfungswärme stufenweise abgekühlt. In den Rohrbündeln erfolgt somit
nach Erreichen des Verdampfungspunktes die Verdampfung des Arbeitsmediums des sekundären
Kreislaufs so daß entsprechend große Wärmeaustauschflächen zur Verfügung zu stellen
sind. Durch die stufenweise Herabsetzung der Temperatur der Sole in den einzelnen
Stufen des Stufenverdampfers ergibt sich ein für diesen charakteristisches Temperaturprofil
das
Arbeitsmedien für den sekundären Kreislauf voraussetzt, die im überkritischen Bereich
verdampfen oder Gemische, die einen variablen Verdampfungspunkt aufweisen.
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Die Erfindung stellt sich de-Aufgabe das Verfahren für die Gewinnung
elektrischer und mechanischer Energie aus heißer geothermischer Sole derart zu gestalten,
daß bei verbessertem Wirkungsgrad der Energieübertragung Verkrustungen von Wärmetauschern
und Erosionen sowie Korrosionen in Arbeitsmaschinen gleichermaßen vermieden sind.
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Zur Lösung dieser Aufgabe wird bei einem Verfahren gemäß dem Oberbegriff
des Patentanspruches 1 erfindungsgemäß die Sole entspannt, der aus der Sole entstehende
Dampf nachfolgend kondensiert und dessen Kondensationswärme an das Arbeitsmedium
im sekundären Kreislauf zu dessen Filmverdampfung in Nachschaltung zu einer mehrstufigen
Erwärmung des flüssigen Arbeitsmediums bis zu seinem Verdampfungspunkt übertragen
und das Kondensat des Dampfes aus der entspannten Sole durch Schwerkraft in den
Solestrom während seiner Entspannung laufend zurückgeführt. Dieses Verfahren trennt
die Wärmeübertragungsprozesse, Erwärmung des sekundären Arbeitsmittels einerseits
und Verdampfung desselben andererseits, voneinander. Die Vorwärmung des flüssigen
Arbeitsmediums bis zum Verdampfungspunkt erfolgt mehrstufig, vorzugsweise in einem
mehrstufigen Entspannungsverdampfer. Die aus der geothermischen Quelle kommende
Sole wird vor dieser Verwendung zur Vorwärmung des Arbeitsmediums des sekundären
Kreislaufs auf einen bestimmten Druck abgesenkt, wobei auch mitgeführter geothermischer
Dampf und nicht kondensierbare Gase abgetrennt werden. Der aus der Druckabsenkung
der flüssigen Sole stammende Dampf und der aus der Quelle ankommende geothermische
Dampf werden gleichermaßen kondensiert und die Kondensationswärme an das flüssige
Arbeitsmedium zu dessen Verdampfung übertragen. Die mitgeführten, nicht kondensierbaren
Gase werden hierbei vorteilhaft aus dem System entfernt.
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Vorteilhaft ist es, die Entspannung des Solestromes mit der Abtrennung
des Salzkonzentrats zu kombinieren, um Feststoffablagerungen in nachgeschalteten
Komponenten herabzusetzen oder Wertstoffe zu gewinnen.
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Die Einrichtung für die Gewinnung elektrischer oder mechanischer Energie
aus heißer geothermischer Sole ist gekennzeichnet durch ein Entspannungsgefäß für
die geothermische Sole und einen diesem bezüglich des Dampfes aus der Entspannung
der Sole nachgeschalteten Filmverdampfer für das Arbeitsmedium in einem sekundären
Kreislauf, der den Dampf aus der Entspannung der Sole kondensiert, ferner durch
eine Verbindung zwischen Filmverdampfer und Entspannungsgefäß zur Rückführung des
Dampfkondensats. Durch eine derartige Kondensatrückführung bleibt die Salzkonzentration
der Sole konstant, wodurch Ablagerungen in nachgeschalteten Komponenten herabgesetzt
werden.
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Vorteilhaft ist die Ausgestaltung des dem Entspannungsgefäß nachgeschalteten
Verdampfers in der Ausführung als Fallfilm-oder Steigfilmverdampfer mit etwa vertikal
angeordneten Wärmeaustauschflächen. Eine derartige Ausführung des Verdampfers verteilt
das zu verdampfende Arbeitsmedium des sekundären Kreislaufs auf der Innenseite der
Rohre als Wärmeaustauschflächen, und die Verdampfung erfolgt mit hohen Wärmeübergangsraten,
wodurch der Heizflächenbedarf herabgesetzt wird.
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Vergleichbare Vorteile erbringt die Ausführung des Filmverdampfers
als Sprühfilmverdampfer, bei dem das sekundäre Arbeitsmittel auf die Außenflächen
der etwa horizontal angeordneten Rohre aufgesprüi,t wird.
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Besondere Vorteile bringt die unmittelbare räumliche Zusammenfassung
des Filmverdampfers für das Arbeitsmedium des sekundären Kreislaufs als oberen und
des Entspannungsgefäßes für die Sole als unteren Abschnitt eines Aggregates der
Einrichtung.
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Der-bei der Entspannung der geothermischen Sole im unteren, als Entspannungsgefäß
ausgebildeten Abschnitt austretende Dampf wird in den Verdampfer nach oben geleitet
und das entstehende Kondensat fließt durch Schwerkraft unmittelbar in den unteren
Abschnitt des Aggregates zurück, wodurch Bauvolumen und Anlagekosten herabgesetzt
werden. Durch kurze Leitungswege für den Dampf aus der geothermischen Sole werden
Druckverluste gering gehalten, was für den Wirkungsgrad des Gesamtprozesses vorteilhaft
ist.
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Dieser untere, als Entspannungsgefäß ausgestaltete Abschnitt des Anlagenaggregates
kann des weiteren vorteilhaft mit Einbauten versehen werden, die eine laufende Entsalzung
unter diskontinuierlichem oder kontinuierlichem Abzug eines Salzkonzentrates nach
unten gestatten.
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Die vorgestellte Lösung stellt gegenüber vorbekannten aufgrund der
Trennung der Vorwärmung von der Verdampfung und der Einschaltung einer Filmverdampfung
für das Arbeitsmedium im sekundärem Kreislauf höhere Drücke und Temperaturen am
Eintritt in die Arbeitsmaschine zur Verfügung. Infolge der geringeren Druckverluste
im Filmverdampfer wird zugleich der Eigenenergieverbrauch für die Umwälzpumpe des
Arbeitsmediums im sekundären Kreislauf herabgesetzt. Beides hat eine Erhöhung des
Gesamtwirkungsgrades des Kreisprozesses zur Folge. Des weiteren wird der Weg eröffnet,
Arbeitsmedien für den sekundären Kreislauf zu verwenden, die im unterkritischen
Bereich verdampfen, so daß auch Kesselspeisewässer als Arbeitsmedium in diesem Kreislauf
verwendet werden kann, falls die geothermische Sole hierfür ein ausreichendes Temperaturniveau
zur Verfügung stellt.
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Verfahren und Einrichtung erbringen den weiteren Vorteil, daß sie
die beiden Funktionen, die der Verdampfung des Arbeitsmediums des sekundären Kreislaufs
einerseits und die der Abtrennung von Dampf und nicht kondensierbaren Gasen aus
der geothermischen Sole andererseits, gleichzeitig erfüllen.
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Zur Erläuterung der Erfindungsgedanken ist in der Zeichnung eine Einrichtung
zur Wärmeübertragung von der geothermischen Sole auf ein Arbeitsmedium in einem
sekundären Kreislauf schematisch dargestellt.
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In der Darstellung tritt über die Leitung 1 die Sole aus der geothermischen
Quelle zunächst in ein Entspannungsgefäß 3a als unteren Abschnitt eines Aggregates
3 ein und wird in diesem entspannt. Der aus der Sole austretende Dampf wird über
eine Leitung 3b in einen als oberen Abschnitt dieses Aggregates ausgebildeten Verdampfer
3c eingeleitet. Das in diesem Verdampfer durch die Ubertragung der Verdampfungswärme
anfallende Kondensat gelangt über die Kondensatleitung 3d unmittelbar in das Ausdampfgefäß
3a zurück und wird. in die hindurchtretende Sole unmittelbar wieder zurückgeführt.
Die im Druck und in der Temperatur abgesenkte geothermische Sole verläßt dieses
Aggregat 3 über die Leitung 5, um in einem in einzelne Vorwärmstufen untergliederten
Wärmetauscher 7 stufenweise unter gleichzeitiger Druckabsenkung abgekühlt zu werden.
Aus diesem Wärmetauscher wird schließlich die abgekühlte Sole über eine Leitung
9 und Pumpe 11 abgeleitet.
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Das im Verdampfer 3c des Aggregates verdampfte sekundäre Arbeitsmittel
wird über den Dampfsammelraum 3e und eine Leitung 20 einer Turbine 22a, einer Arbeitsmaschine
22 zugeleitet. An die Turbine 22a ist ein Generator 22b zur Stromerzeugung angekoppelt.
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Der in der Turbine 22a entspannte Dampf gelangt über die Lei -tung
24 in einen Kondensator 26. Das verflüssigte sekundäre Arbeitsmittel ird aus diesem
Kondensator über die Leitung 28 abgezogen und über die in dieser angeordneten Pumpe
30 im Druck erhöht. Anschließend wird das verflüssigte und im Druck erhöhte sekundäre
Arbeitsmittel kontinuierlich in den hintereinandergeschalteten Stufen des Wärmetauschers
7 vorgewärmt und über eine Leitung 32 zur erneuten Verdampfung in den oberen, als
Verdampfer des sekundären Arbeitsmittels ausgeführten Abschnitt 3c des Aggregates
3 zurückgeführt.
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Mit der strichpunktierten Leitung 34 ist angedeutet, daß Dampf
vorgeschalteter
Prozesse gleichzeitig genutzt werden kann. Das Kondensat kann hierbei alternativ
mit demjenigen des Dampfes aus der Sole in das Entspannungsgefäß zurückgeführt oder
aber vorher auch als Teilstrom in den vorgeschalteten Prozeß zurückgeleitet werden.
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Besteht beispielsweise eine geothermische Anlage zur elektrischen
oder mechanischen Energieerzeugung, die Separatoren verwendet, um den nutzbaren
Dampf von der geothermischen Sole zu trennen und den Dampf direkt auf eine Arbeitsmaschine
leitet, und wird der Abdampf dieser Arbeitsmaschine und die abgetrennte flüssige
Sole ungenutzt abgeleitet, so bietet die gefundene Lösung die Möglichkeit, den Abdampf
der Arbeitsmaschine in den Verdampfer des Arbeitsmediums des sekundären Kreislaufs
einzuführen und zu kondensieren und die vom Dampf abgetrennte geothermische Sole
in das Entspannungsgefäß einzuleiten, wodurch die Energieausbeute insgesamt erheblich
vergrößert wird.
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Eine weitere Anwendung der erfindungsgemäßen Lösung ersetzt für die
Fälle, in denen der geothermische Dampf erheblich mit korrosiven Gasen und mitgeführten
Feststoffen belastet ist, die rasch zu Schäden an der Arbeitsmaschine führen würden,
ein oder auch mehrere der verwendeten Separatoren durch ein Entspannungsgefäß und
diesem zugeordneten Verdampfer für das Arbeitsmittel in einem weiteren sekundären
Kreislauf.
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An die Stelle mehrerer Separatoren treten hierbei mehrere bezüglich
des Solestroms hintereinandergeschaltete Entspannungsgefäße, wobei die zugeordneten
Verdampfer des weiteren sekundären Kreislaufs gegenläufig zum Solestrom gleichfalls
hintereinandergeschaltet sind. Dadurch liegen zwei geschlossene sekundäre Kreisläufe
vor, die hintereinandergeschaltet sind und gegebenenfalls unterschiedliche Arbeitsmedien
verwenden.
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