DE69407261T2 - Methode und Vorrichtung zur Umwandlung von Wärme aus geothermischer Flüssigkeit und geothermischem Dampf in elektrische Energie - Google Patents

Methode und Vorrichtung zur Umwandlung von Wärme aus geothermischer Flüssigkeit und geothermischem Dampf in elektrische Energie

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Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Umwandlung von Wärmeenergie aus einer geothermischen Wärmequelle, die aus einem Gemisch aus geothermischer Flüssigkeit und geothermischem Dampf besteht ("Geofluid"), in Elektroenergie. Die Erfindung betrifft ferner die Nutzung des Energiepotentials sowohl von geothermischer Flüssigkeit als auch von geothermischem Dampf in einem integrierten System.
  • Geothermische Wärmequellen können allgemein in zwei Gruppen unterteilt werden. In der ersten Gruppe sind "flüssigkeitsdominierte" Wärmequellen enthalten, die größtenteils heiße geothermische Flüssigkeit (Sole) erzeugen. In der zweiten Gruppe sind "dampfdominierte" Wärmequellen enthalten, die größtenteils geothermischen Dampf mit einem bestimmten Anteil geothermischer Flüssigkeit erzeugen.
  • Verfahren zum Umwandeln der durch geothermische Wärmequellen freigesetzten Wärmeenergie in Elektroenergie stellen einen wichtigen und im Wachstum begriffenen Bereich der Energieerzeugung dar. Geothermische bzw. Erdwärmekraftwerke gehören im allgemeinen zu einer von zwei Kategorien, nämlich Dampfkraftwerken und Binär- bzw. Zweistoffkraftwerken.
  • In Dampfkraftwerken wird die Erdwärmequelle direkt zur Dampferzeugung genutzt (z.B. durch Drosseln und sehr rasches Verdampfen von geothermischer Flüssigkeit). Dieser Dampf wird dann in einer Turbine zur Entspannung gebracht, wodurch Energie erzeugt wird. In Zweistoffkraftwerken wird aus dem geothermischen Fluid gewonnene Wärme zum Verdampfen eines Arbeitsfluids verwendet, das innerhalb des Energiekreisl auf zirkuliert. Das Arbeitsfluid wird dann in einer Turbine zur Entspannung gebracht, wodurch Energie erzeugt wird.
  • Oampfkraftwerke werden im allgemeinen für dampfdominierte geothermische Wärmequellen verwendet, während Zweistoffkraftwerke im allgemeinen für flüssigkeitsdominierte geothermische Wärmequellen verwendet werden. Die US-A-4982568 beschreibt ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Umwandlung thermischer Energie aus geothermischer Flüssigkeit in Elektroenergie in einem Zweistoffkraftwerk. Dieses Verfahren erhöht den Wirkungsgrad durch Verwendung eines thermodynamischen Kreisprozesses mit einem Mehrstoff-Arbeitsfluid und interner Rückgewinnung.
  • Die EP-A-372864 beschreibt ein mit Dampf arbeitendes Kraftwerk zur Erzeugung von Elektroenergie mit einer oder mehreren integrierten Kraftwerkeinheitsbaugruppen, deren jede eine Dampfturbine aufweist, die als Reaktion auf den Dampf wärmeabgereicherten Dampf erzeugt, einem mit der Dampfturbine verbundenen Kondensator, der bei einem Druck nicht unterhalb des Atmosphärendrucks arbeitet, um den wärmeabgereicherten Dampf zu kondensieren und ein auf den Kondensator aufgebrachtes organisches Fluid zu verdampfen, einer mit dem organischen Fluid arbeitenden Turbine mit geschlossenem organischem Rankine-Kreisprozeß und einem durch die Dampfturbine und die Turbine mit dem organischen Rankine-Kreisprozeß angetriebenen elektrischen Einzelgenerator zur Erzeugung von Elektroenergie. Der Dampf wird parallel jeder Dampfturbine in jeder der Baugruppen zugeführt.
    • ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
  • Die vorliegende Erfindung ist in den beigefügten Patentansprüchen definiert.
  • Anspruch 7 definiert eine Ausführungsform der Erfindung und charakterisiert ein Verfahren zur Ausführung des thermodynamischen Kreisprozesses.
  • In bevorzugten Ausführungsbeispielen wird der flüssige Arbeitsstrom nach dem Verdampfen unter Verwendung der durch Abkühlen geothermischer Flüssigkeit erzeugten Wärme überhitzt, um den gasförmigen Arbeitsstrom zu bilden. Der ankommende flüssige Mehrstoffarbeitsstrom wird vorzugsweise durch teilweise Kondensation des verbrauchten Arbeitsstroms vorgewärmt und anschließend in einen ersten und einen zweiten Teilstrom aufgeteilt. Der erste Teilstrom wird dann unter Verwendung der durch teilweise Kondensation des verbrauchten Arbeitsstroms gewonnenen Wärme teilweise verdampft, während der zweite Teilstrom unter Verwendung der durch Abkühlung geothermischer Flüssigkeit gewonnenen Wärme teilweise verdampft wird. Die teilweise verdampften ersten und zweiten Arbeitsströme werden dann vereinigt und unter Verwendung von Wärme, die durch eine Kombination aus Verdampfen geothermischer Flüssigkeit und Kondensation von geothermischem Dampf gewonnen wird, zur Bildung des gasförmigen Arbeitsstroms verdampft. Die Differenz zwischen der Siedetemperatur des zweiten Teilstroms und der Temperatur der geothermischen Flüssigkeit ist größer als die Differenz zwischen der Siedetemperatur des ersten Teilstroms und der Temperatur des kondensierten verbrauchten Arbeitsstroms.
  • Der geothermische Dampf wird entspannt, wobei seine Energie in eine nutzbare Form umgewandelt und ein verbrauchter geothermischer Strom erzeugt wird. Der verbrauchte geothermische Strom wird dann zum Erhitzen und teilweisen Verdampfen des flüssigen Arbeitsstroms kondensiert und anschließend mit der geothermischen Flüssigkeit vereinigt und zum weiteren Verdampfen des flüssigen Arbeitsstroms verwendet. Bei relativ hohem Gehalt des Geofluids an geothermischem Dampf ist es vorzuziehen, mehrere Entspannungen des geothermischen Dampfes durchzuführen. So wird in einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der verbrauchte geothermische Strom, der durch eine erste Entspannung von geothermischem Dampf entsteht, in einen ersten und einen zweiten geothermischen Teilstrom aufgeteilt. Der erste geothermische Teilstrom wird zum Erhitzen und teilweisen Verdampfen des flüssigen Arbeitsstroms kondensiert und dann mit der geothermischen Flüssigkeit vereinigt. Der zweite geothermische Teilstrom wird entspannt, wobei seine Energie in eine nutzbare Form umgewandelt und ein verbrauchter geothermischer Teil strom erzeugt wird, der dann zum Erhitzen und teilweisen Verdampfen des flüssigen Arbeitsstroms kondensiert wird. Der verbrauchte geothermische Teilstrom wird dann mit der geothermischen Flüssigkeit vereinigt.
  • Gemäß Anspruch 14 ist die Erfindung durch eine Vorrichtung zur Ausführung eines thermodynamischen Kreisprozesses gekennzeichnet, wobei die Vorrichtung aufweist:
  • eine Einrichtung zum Entspannen eines gasförmigen Arbeitsstroms, wobei dessen Energie in eine nutzbare Form umgewandelt und ein verbrauchter Strom erzeugt wird;
  • einen Wärmetauscher zum teilweisen Kondensieren des verbrauchten Stroms und zur Wärmeübertragung aus dem verbrauchten Strom in einen ankommenden flüssigen Mehrstoffarbeitsstrom;
  • einen Abscheider zum Trennen des Geofluids in geothermische Flüssigkeit und geothermischen Dampf; und
  • mehrere Wärmetauscher zum Abkühlen geothermischer Flüssigkeit und zur Kondensation von geothermischem Dampf sowie zur Wärmeübertragung aus der geothermischen Flüssigkeit und dem geothermischen Dampf, um den flüssigen Arbeitsstrom zu verdampfen und den gasförmigen Arbeitsstrom zu bilden.
  • In bevorzugten Ausführungsbeispielen weist die Vorrichtung einen Wärmetauscher zum Abkühlen geothermischer Flüssigkeit und zur Wärmeübertragung aus der geothermischen Flüssigkeit auf, um den flüssigen Arbeitsstrom zu überhitzen und den gasförmigen Arbeitsstrom zu bilden. Die Vorrichtung weist außerdem vorzugsweise auf: einen Stromtrenner zum Aufteilen des erhitzten Arbeitsstroms in einen ersten und einen zweiten Teilstrom; einen Wärmetauscher zur teilweisen Kondensation des verbrauchten Arbeitsstroms und zur Wärmeübertragung aus dem verbrauchten Arbeitsstrom, um den ersten Teilstrom teilweise zu verdampfen; einen Wärmetauscher zum Abkühlen der geothermischen Flüssigkeit und zur Wärmeübertragung aus der abgekühlten geothermischen Flüssigkeit um den zweiten Teilstrom teilweise zu verdampfen, sowie einen Strommischer zum Vereinigen der teilweise verdampften ersten und zweiten Teilströme.
  • Die Vorrichtung weist ferner vorzugsweise auf: eine Einrichtung zum Entspannen von geothermischem Dampf, wobei dessen Energie in eine nutzbare Form umgewandelt und ein verbrauchter geothermischer Strom erzeugt wird; einen Wärmetauscher zur Kondensation des verbrauchten geothermischen Stroms und zur Wärmeübertragung aus dem verbrauchten geothermischen Strom, um den flüssigen Arbeitsstrom teilweise zu verdampfen; und einen Strommischer zum Vereinigen des verbrauchten geothermischen Stroms mit der geothermischen Flüssigkeit. Zur Aufnahme von Geofluiden mit relativ hohem geothermischem Dampfgehalt weist die Vorrichtung ferner auf: einen Stromtrenner zum Aufteilen des bei der ersten Entspannung erzeugten verbrauchten geothermischen Stroms in einen ersten und einen zweiten geothermischen Teilstrom; einen Wärmetauscher zur Kondensation des ersten geothermischen Teilstroms und zur Wärmeübertragung aus dem ersten geothermischen Teilstrom, um den flüssigen Arbeitsstrom teilweise zu verdampfen; einen Strommischer zum Vereinigen des ersten geothermischen Teilstroms mit der geothermischen Flüssigkeit; eine Einrichtung zum Entspannen des zweiten geothermischen Teilstroms, wobei dessen Energie in eine nutzbare Form umgewandelt und ein verbrauchter geothermischer Teilstrom erzeugt wird; einen Wärmetauscher zur Kondensation des verbrauchten geothermischen Teilstroms und zur Wärmeübertragung aus dem verbrauchten geothermischen Teilstrom um den flüssigen Arbeitsstrom teilweise zu verdampfen; sowie einen Strommischer zum Vereinigen des verbrauchten geothermischen Teil stroms mit der geothermischen Flüssigkeit.
  • Die Erfindung schafft ein integriertes System, das die Energiepotentiale sowohl von geothermischem Dampf als auch von geothermischer Flüssigkeit (Sole) nutzt. Das System kann praktisch alle geothermischen Ressourcen in nahezu jedem Verhältnis zwischen Flüssigkeit und Dampf verarbeiten. Geofluide aus verschiedenen Bohrungen mit unterschiedlichen Temperaturen und verschiedenen Dampf- und Flüssigkeitsanteilen können ebenfalls verwendet werden. Gegenüber Systemen mit getrennter Nutzung von geothermischer Flüssigkeit und geothermischem Dampf werden höhere Ausbeuten und Wirkungsgrade erreicht. Außerdem sind der Wirkungsgrad und die Ausbeute höher als bei Dampfkraftwerken, die derzeit für die Nutzung derartiger geothermischer Ressourcen eingesetzt werden.
  • Da die Wärmequelle für den thermodynamischen Kreisprozeß eine Kombination aus Abkühlung geothermischer Flüssigkeit und Kondensation von geothermischem Dampf mit sich bringt, ist nur eine einstufige Entspannung des Arbeitsfluids notwendig (im Gegensatz zu zwei Entspannungsstufen mit Zwischenüberhitzung). Außerdem kann durch die Aufteilung des flüssigen Arbeitsfluids in zwei Teilströme, deren einer durch Wärmeübertragung aus der Abkühlung geothermischer Flüssigkeit teilweise verdampft wird, während der andere durch Wärmeübertragung aus der teilweisen Kondensation von verbrauchtem Arbeitsfluid teilweise verdampft wird, auch ein Geofluid mit hohem Mineralisierungsgrad (das nur auf relativ hohe Temperaturen abgekühlt werden kann) eingesetzt werden.
  • Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung gehen aus der nachstehenden Beschreibung ihrer bevorzugten Ausführungsbeispiele sowie aus den Patentansprüchen hervor.
    • KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels des Verfahrens und der Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung.
  • Fig. 2 zeigt eine schematische Darstellung eines zweiten Ausführungsbeispiels des Verfahrens und der Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung.
    • BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSBEISPIELE
  • Die in Fig. 1 dargestellte Schemazeichnung zeigt ein Ausführungsbeispiel einer bevorzugten Vorrichtung, die bei dem oben beschriebenen Kreisprozeß verwendet werden kann. Präzise gesagt, Fig. 1 zeigt ein System 100, das einen Schwerkraftabscheider 101, einen Vorwärmer in Form eines Wärmetauschers 109, einen Überhitzer in Form eines Wärmetauschers 104 und einen Dampferzeuger in Form von Wärmetauschern 103, 106, 107 und 108 aufweist. Außerdem weist das System 100 Turbinen 102 und 114, Pumpen 105 und 111 und einen Kondensator 110 auf. Ferner weist das System 100 einen Stromtrenner 112 und einen Strommischer 113 auf.
  • Der Kondensator 110 kann irgendein Typ einer bekannten Wärmeabführeinrichtung sein. Zum Beispiel kann der Kondensator 110 die Form eines Wärmetauschers annehmen, wie z.B. eines wassergekühlten Systems oder eines anderen Kondensationseinrichtungstyps.
  • Wie in Fig. 1 dargestellt, wird ein aus geothermischer Flüssigkeit (Sole) und geothermischem Dampf bestehendes Geofluid, das eine geothermische Bohrung verläßt, einem Schwerkraftabscheider 101 zugeführt, wo die geothermische Flüssigkeit und der geothermische Dampf voneinander getrennt werden. Der Dampf verläßt den Abscheider 101 mit Parametern wie am Punkt 41, und die Flüssigkeit verläßt den Abscheider 101 mit Parametern wie am Punkt 51. Danach wird der Dampf einer Dampfturbine 102 zugeführt, wo er sich entspannt und Energie erzeugt, die in Elektroenergie umgewandelt wird, und verläßt die Turbine 102 mit Parametern wie am Punkt 43. Der Dampf wird dann in den Wärmetauscher 103 eingespeist, wo er kondensiert, seine Kondensationswärme freisetzt und vollständig kondensiert wird. Das Kondensat verläßt den Wärmetauscher 103 mit Parametern wie am Punkt 44. Die Wärme aus der Kondensation des Dampfes wird im Wärmetauscher 103 zum Arbeitsfluid des Energiekreisprozesses übertragen.
  • Die geothermische Flüssigkeit mit Parametern wie am Punkt 51 wird im Wärmetauscher 104 abgekühlt, den sie mit Parametern wie am Punkt 52 verläßt, und überträgt die Wärme zum Arbeitsfluid des Energiekreisprozesses. Die Temperatur des Dampfkondensats am Punkt 44 ist im wesentlichen gleich der Temperatur der geothermischen Flüssigkeit am Punkt 52. Das Dampfkondensat mit Parametern wie am Punkt 44 wird durch eine Pumpe 105 auf einen Druck gebracht, der gleich dem der geothermischen Flüssigkeit am Punkt 52 ist, und erhält Parameter wie am Punkt 45. Danach wird das Dampfkondensat mit Parametern, die dem Punkt 45 entsprechen, mit der geothermischen Flüssigkeit mit Parametern, die dem Punkt 52 entsprechen, vereinigt und erreicht Parameter wie am Punkt 53.
  • Die vereinigte Flüssigkeit mit Parametern wie am Punkt 53 läuft durch den Wärmetauscher 106, wo sie weiter abgekühlt wird und Wärme freisetzt, die zum Arbeitsfluid des Energiekreisprozesses übertragen wird, und Parameter wie am Punkt 56 annimmt. Schließlich durchläuft die Flüssigkeit mit Parametern wie am Punkt 56 den Wärmetauscher 107, wo sie weiter abgekühlt wird und Wärme freisetzt, die zum Arbeitsfluid des Energiekreislaufs übertragen wird und Parameter wie am Punkt 57 erreicht.
  • Danach wird die geothermische Flüssigkeit aus dem System entfernt und wieder in die geothermischen Schichten eingepreßt.
  • Aus der obigen Diskussion ist ersichtlich, daß der erfindungsgemäße thermodynamische Energiekreisprozeß zwei geothermische Wärmequellen nutzt, d.h. Wärme, die im Kondensationsprozeß von geothermischem Dampffreigesetzt wird, und Wärme, die durch die Abkühlung von Flüssigkeit und Dampfkondensat (geothermischer Flüssigkeit) freigesetzt wird. Der Energiekreisprozeß arbeitet wie folgt.
  • Das vollständig kondensierte Arbeitsfluid des Energiekreisprozesses mit Parametern wie am Punkt 21 durchläuft einen Rekuperativvorwärmer 109, wo es auf Siedetemperatur vorgewärmt wird, und verläßt den Vorwärmer mit Parametern wie am Punkt 60. Danach wird das Arbeitsfluid im Stromtrenner 112 in zwei Teil ströme aufgeteilt, die Parameter wie an den Punkten 61 bzw. 62 aufweisen. Der erste Teilstrom mit Parametern wie am Punkt 61 durchläuft den Wärmetauscher 107, wo er durch einen Strom flüssigen Geofluids erhitzt und teilweise verdampft wird. Er verläßt den Wärmetauscher 107 mit Parametern wie am Punkt 63.
  • Der zweite Teilstrom mit Parametern wie am Punkt 62 durchläuft den Wärmetauscher 108, wo er gleichfalls erhitzt und teilweise verdampft wird. Er verläßt den Wärmetauscher 108 mit Parametern wie am Punkt 64. Danach werden beide Teilströme in dem Strommischer 113 vereinigt und nehmen Parameter wie am Punkt 66 an. Die vereinigten Teilströme werden dann in einen Wärmetauscher 106 eingespeist, wo unter Verwendung von Wärme, die aus einem Strom flüssigen Geofluids übertragen wird, eine weitere Verdampfung erfolgt.
  • Die Temperaturdifferenz zwischen dem Siedepunkt des Arbeitsfluids mit Parametern wie am Punkt 62 und der Temperatur des kondensierenden Arbeitsfluidstroms am Punkt 38 wird auf ein Minimum reduziert. Die Temperaturdifferenz zwischen der Siedebeginntemperatur und der Endtemperatur der geothermischen Flüssigkeit, die im Wärmetauscher 107 zur Verdampfung benutzt wird, kann jedoch die minimale Temperaturdifferenz zwischen den Punkten 62 und 38 im Wärmetauscher 108 wesentlich übersteigen. So ist es möglich, die Temperatur und den entsprechenden Druck am Punkt 60 zu optimieren, selbst wenn die geothermische Flüssigkeit wegen eines hohen Mineralisierungsgrades nur auf relativ hohe Temperaturen abgekühlt werden kann.
  • Das Arbeitsfluid verläßt den Wärmetauscher 106 mit Parametern wie am Punkt 69 und tritt in den Wärmetauscher 103 ein, wo die Verdampfung unter Verwendung von Wärme, die durch Kondensation des geothermischen Dampfes erzeugt wird, abgeschlossen wird. Das Arbeitsfluid verläßt den Wärmetauscher 103 mit Parametern wie am Punkt 68 und tritt in den Wärmetauscher 104 ein, wo es durch einen Strom geothermischer Flüssigkeit überhitzt wird. Danach tritt das Arbeitsfluid, das den Wärmetauscher 104 mit Parametern wie am Punkt 30 verläßt, in die Turbine 114 ein, wo es entspannt wird und Energie erzeugt. Der entspannte Arbeitsfluidstrom verläßt dann die Turbine 114 mit Parametern wie am Punkt 36.
  • Das entspannte Arbeitsfluid am Punkt 36 hat gewöhnlich die Form eines gesättigten Trocken- oder Naßdampfes. Es durchläuft dann den Wärmetauscher 108, wo es teilweise kondensiert wird. Die bei der Kondensation freigesetzte Wärme wird zum Erhitzen des flüssigen Arbeitsfluids bis zum Siedebeginn genutzt. Danach verläßt das entspannte Arbeitsfluid den Wärmetauscher 108 mit Parametern wie am Punkt 38 und durchläuft den Wärmetauscher 109, wo es weiter kondensiert wird. Die Kondensationswärme wird zum Vorwärmen des ankommenden Arbeitsfluids verwendet. Das teilweise kondensierte Arbeitsfluid mit Parametern wie am Punkt 29 verläßt den Wärmetauscher 109 und tritt in den Wärmetauscher 110 ein, wo es vollständig kondensiert wird und Parameter wie am Punkt 14 annimmt. Die Kondensation kann durch Kühlwasser, Kühlluft oder irgendein anderes Kühlmittel erfolgen. Das kondensierte Arbeitsfluid wird dann durch die Pumpe 111 auf einen höheren Druck gebracht und erhält Parameter wie am Punkt 21. Dann wird der Kreisprozeß wiederholt.
  • Der Druck am Punkt 43, auf den der geothermische Dampf entspannt wird, ist so gewählt, daß eine maximale Gesamtausgangsleistung sowohl von der Dampfturbine 102 als auch von der Arbeitsfluidturbine 114 erzielt wird. Die Zusammensetzung des Mehrstoff-Arbeitsfluids (das ein Fluid mit niedrigerem Siedepunkt und ein Fluid mit höherem Siedepunkt einschließt) wird auf ähnliche Weise so gewählt, daß eine maximale Gesamtausgangsleistung erzielt wird. Präzise gesagt, die Zusammensetzung wird so gewählt, daß die Temperatur, bei der das entspannte Arbeitsfluid mit Parametern wie am Punkt 36 kondensiert, höher ist als die Temperatur, bei der das gleiche Arbeitsfluid mit Parametern wie am Punkt 60 siedet. Beispiele für geeignete Mehrstoff-Arbeitsfluide sind unter anderem Ammoniak-Wasser-Gemisch, zwei oder mehr Kohlenwasserstoffe, zwei oder mehr Freone, Gemische aus Kohlenwasserstoffen und Freonen oder dergleichen. In einem besonders bevorzugten Ausführungsbeispiel wird ein Gemisch aus Wasser und Ammoniak verwendet. Der Mehrstoff-Arbeitsstrom enthält vorzugsweise 55% bis etwa 95% der niedrigsiedenden Komponente.
  • Bevorzugte Parameter für die Punkte, die den in Fig. 1 dargestellten Punkten entsprechen, sind in Tabelle I für ein System mit einem Wasser- Ammoniak-Arbeitsfluidstrom angegeben. Aus den Daten folgt, daß das vorgeschlagene System die Ausbeute im Vergleich zu einem herkömmlichen System um das 1,55-fache und im Vergleich zu einem System, das Wärme aus Sole und Dampf separat nutzt, um das 1,077-fache erhöht wird. TABELLE 1 (Teil 1) TABELLE 1 (Teil 2)
  • Falls das ursprüngliche, aus der geothermischen Bohrung austretende Geofluid eine relativ große Menge Dampf enthält, ist es vorzuziehen, den geothermischen Dampf zu entspannen und dann in zwei oder mehreren Schritten zu kondensieren, statt in einem Schritt, wie in Fig. 1 dargestellt. In einem solchen Falle erfolgt das Erhitzen und Verdampfen des Arbeitsfluids abwechselnd durch Abkühlen der geothermischen Flüssigkeit und Kondensieren des geothermischen Dampfes.
  • In Fig. 2 ist ein System dargestellt, das zwei Entspannungsstufen des geothermischen Dampfes einschließt. Es unterscheidet sich von dem in Fig. 1 dargestellten System durch die Tatsache, daß nach der ersten Entspannungsstufe ein Teil des entspannten Dampfes mit Parametern wie bei 43 einem Wärmetauscher 103 zugeführt wird. Ein Teil des teilweise entspannten Dampfes wird in einer zweiten Dampfturbine 204 weiter entspannt und dann in einem zweiten Dampfkondensator, der als Wärmetauscher 203 dargestellt ist, kondensiert, von wo aus er mittels der Pumpe 201 unter Druck gesetzt und dann wieder mit der geothermischen Flüssigkeit vereinigt wird. Zum Erhitzen des Arbeitsfluids des Energiekreisprozesses zwischen diesen beiden Dampfkondensatoren im Wärmetauscher 204 wird geothermische Flüssigkeit verwendet.
  • Die vorliegende Erfindung ist zwar in Bezug auf eine Anzahl bevorzugter Ausführungsbeispiele beschrieben worden, aber dem Fachmann werden eine Reihe von Abänderungen und Modifikationen dieser Ausführungsbeispiele bewußt sein. Zum Beispiel kann die Anzahl der Wärmetauscher erhöht oder vermindert werden. Außerdem kann der geothermische Dampf mehr als zwei Entspannungen erfahren, in Abhängigkeit vom Dampfgehalt des Geofluids.

Claims (18)

1. Verfahren zur Ausführung eines thermodynamischen Kreisprozesses, das die folgenden Schritte aufweist:
Trennen eines Geofluids in eine geothermische Flüssigkeit und einen geothermischen Dampf,
Erhitzen eines Arbeitsstroms auf seine höchste Temperatur in einem Arbeitszyklus durch Abkühlen der geothermischen Flüssigkeit, wodurch eine abgekühlte geothermische Flüssigkeit und ein gasförmiger Arbeitsstrom von höchster Temperatur entstehen,
Entspannen des geothermischen Dampfes, Umwandlung seiner Energie in eine nutzbare Form und Erzeugen eines verbrauchten geothermischen Stroms, Erhitzen des Arbeitsstroms auf eine mittlere Temperatur durch Kondensation des verbrauchten geothermischen Stroms, wodurch ein kondensierter geothermischer Strom entsteht, dessen Temperatur im wesentlichen gleich der Temperatur der abgekühlten geothermischen Flüssigkeit ist,
Vereinigen der abgekühlten geothermischen Flüssigkeit und des kondensierten geothermischen Stroms zur Bildung eines wiedervereinigten geothermischen Stroms,
Erhitzen des Arbeitsstroms von einer niedrigeren Temperatur unterhalb der mittleren Temperatur durch Abkühlen des wiedervereinigten geothermischen Stroms,
Entspannen des gasförmigen Arbeitsstroms von höchster Temperatur,
Umwandlung seiner Energie in eine nutzbare Form und Erzeugen eines verbrauchten Arbeitsstroms, und
Kondensation des verbrauchten Arbeitsstroms zur Bildung eines ankommenden flüssigen Arbeitsstroms.
2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Arbeitsstrom ein Mehrstofffluid ist und wobei das Verfahren ferner das Vorwärmen des ankommenden flüssigen Arbeitsstroms durch teilweise Kondensation des verbrauchten Arbeitsstroms aufweist.
3. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der verbrauchte geothermische Strom in einen ersten und einen zweiten Teilstrom aufgeteilt wird und die Kondensation des verbrauchten geothermischen Stroms eine Kondensation des ersten Teilstroms ist, und wobei das Verfahren ferner aufweist:
Entspannen des zweiten Teilstroms, Umwandlung seiner Energie in eine nutzbare Form und Erzeugen eines verbrauchten zweiten Teilstroms, Erhitzen des Arbeitsstroms von einer Temperatur unterhalb der niedrigeren Temperatur durch Kondensation des verbrauchten zweiten Teilstroms.
4. Verfahren nach Anspruch 2, mit den folgenden Schritten:
Aufteilen des vorgewärmten flüssigen Arbeitsstroms in einen ersten und einen zweiten Teilstrom;
teilweises Verdampfen des ersten Teilstroms unter Verwendung von Wärme, die durch teilweise Kondensation des verbrauchten Arbeitsstroms erzeugt wird;
teilweises Verdampfen des zweiten Arbeitsstroms unter Verwendung von Wärme, die durch Abkühlen geothermischer Flüssigkeit erzeugt wird; und
Vereinigen der teilweise verdampften ersten und zweiten Teilströme.
5. Verfahren nach Anspruch 4, wobei die Differenz zwischen der Siedetemperatur des zweiten Teilstroms und der Temperatur der geothermischen Flüssigkeit größer ist als die Differenz zwischen der Siedetemperatur des ersten Teilstroms und der Temperatur des kondensierten verbrauchten Arbeitsstroms
6. Verfahren nach Anspruch 1, das die folgenden Schritte aufweist:
Aufteilen des verbrauchten geothermischen Stroms in einen ersten und einen zweiten geothermischen Teilstrom;
wobei der erste Strom zum Erhitzen des Arbeitsstroms auf die mittlere Temperatur verwendet und mit der geothermischen Flüssigkeit vereinigt wird;
Entspannen des zweiten geothermischen Teilstroms, Umwandlung seiner Energie in eine nutzbare Form und Erzeugen eines verbrauchten geothermischen Teilstroms; und
Kondensation des verbrauchten geothermischen Teilstroms zum Erhitzen und teilweisen Verdampfen des flüssigen Arbeitsstroms.
7. Verfahren zur Ausführung eine thermodynamischen Kreisprozesses, das die folgenden Schritte aufweist:
Entspannen eines gasförmigen Arbeitsstroms, Umwandlung seiner Energie in eine nutzbare Form und Erzeugen eines verbrauchten Arbeitsstroms;
Vorwärmen eines ankommenden flüssigen Mehrstoffarbeitsstroms durch teilweise Kondensation des verbrauchten Arbeitsstroms;
Aufteilen des vorgewärmten flüssigen Arbeitsstroms in einen ersten und eine zweiten Teilstrom;
teilweises Verdampfen des ersten Teilstroms unter Verwendung von Wärme, die durch teilweise Kondensation des verbrauchten Arbeitsstroms erzeugt wird;
teilweises Verdampfen des zweiten Teilstroms unter Verwendung von
Wärme, die durch Abkühlen geothermischer Flüssigkeit erzeugt wird;
Vereinigen der teilweise verdampften ersten und zweiten Teilströme;
Verdampfen der teilweise verdampften ersten und zweiten Teilströme unter Verwendung von Wärme, die durch eine Kombination aus der Abkühlung geothermischer Flüssigkeit und der Kondensation geothermischen Dampfes erzeugt wird; und
Überhitzen des verdampften flüssigen Arbeitsstroms unter Verwendung von Wärme, die durch Abkühlen geothermischer Flüssigkeit erzeugt wird, um den gasförmigen Arbeitsstrom zu bilden.
8. Verfahren nach Anspruch 7, wobei die Differenz zwischen der Siedetemperatur des zweiten Teilstroms und der Temperatur der geothermischen Flüssigkeit größer ist als die Differenz zwischen der Siedetemperatur des ersten Teilstroms und der Temperatur des kondensierten verbrauchten Arbeitsstroms.
9. Verfahren nach Anspruch 7, mit den folgenden Schritten: Entspannen von geothermischem Dampf, Umwandeln seiner Energie in eine nutzbare Form und Erzeugen eines verbrauchten geothermischen Stroms; Kondensation des verbrauchten geothermischen Stroms zum Erhitzen und teilweisen Verdampfen des flüssigen Arbeitsstroms; und Vereinigen des verbrauchten geothermischen Stroms mit der geothermischen Flüssigkeit.
10. Verfahren nach Anspruch 7, mit den folgenden Schritten:
Entspannen von geothermischem Dampf, Umwandeln seiner Energie in eine nutzbare Form und Erzeugen eines verbrauchten geothermischen Stroms;
Aufteilen des verbrauchten geothermischen Stroms in einen ersten und einen zweiten geothermischen Teilstrom;
Kondensation des ersten geothermischen Teilstroms zum Erhitzen und teilweisen Verdampfen des flüssigen Arbeitsstroms;
Vereinigen des ersten geothermischen Teilstroms mit der geothermischen Flüssigkeit;
Entspannen des zweiten geothermischen Teilstroms, Umwandeln seiner Energie in eine nutzbare Form und Erzeugen eines verbrauchten geothermischen Teilstroms;
Kondensation des verbrauchten geothermischen Teilstroms zum Erhitzen und teilweisen Verdampfen des flüssigen Arbeitsstroms; und
Vereinigen des verbrauchten geothermischen Teilstroms mit der geothermischen Flüssigkeit.
11. Vorrichtung zur Ausführung eines thermodynamischen Kreisprozesses, welche aufweist:
einen Geofluid-Trenner (101) zum Trennen des Geofluids in geothermische Flüssigkeit und geothermischen Dampf,
einen ersten Wärmetauscher (104), der so angeschlossen ist, daß er die geothermische Flüssigkeit aus dem Geofluid-Trenner (101) sowie einen Arbeitsstrom aufnimmt und einen gasförmigen Arbeitsstrom von höchster Temperatur sowie eine abgekühlte geothermische Flüssigkeit abgibt,
eine Einrichtung (102) zum Entspannen des geothermischen Dampfes aus dem Geofluid-Trenner (101), Umwandeln seiner Energie in eine nutzbare Form und zum Erzeugen eines verbrauchten geothermischen Stroms,
einen zweiten Wärmetauscher (103), der so angeschlossen ist, daß er den verbrauchten geothermischen Strom aus der Einrichtung zum Entspannen sowie den Arbeitsstrom mit niedrigerer Temperatur aufnimmt, wobei der zweite Wärmetauscher (103) den verbrauchten geothermischen Strom kondensiert und den Arbeitsstrom mit niedrigerer Temperatur erhitzt, wodurch ein kondensierter geothermischer Strom mit einer Temperatur, die im wesentlichen gleich der Temperatur der abgekühlten geothermischen Flüssigkeit ist, sowie ein Arbeitsstrom entstehen, der auf eine mittlere Temperatur erhitzt ist, die niedriger als die höchste Temperatur ist,
einen Strommischer, der so angeschlossen ist, daß er den kondensierten geothermischen Strom aus dem zweiten Wärmetauscher und die abgekühlte geothermische Flüssigkeit aus dem ersten Wärmetauscher aufnimmt und einen wiedervereinigten geothermischen Strom liefert,
einen dritten Wärmetauscher (106), der so angeschlossen ist, daß er den wiedervereinigten geothermischen Strom und das Arbeitsfluid aufnimmt und das Arbeitsfluid durch Abkühlen des wiedervereinigten geothermischen Stroms von einer Temperatur unterhalb der niedrigeren Temperatur erhitzt, eine Einrichtung (114) zum Entspannen des gasförmigen Arbeitsstroms, der aus dem ersten Wärmetauscher (104) übernommen wird, Umwandeln seiner Energie in eine nutzbare Form und Erzeugen eines verbrauchten Arbeitsstroms, und
einen Kondensator (108), der so angeschlossen ist, daß er den verbrauchten Arbeitsstrom aufnimmt und den verbrauchten Arbeitsstrom kondensiert und einen ankommenden flüssigen Arbeitsstrom liefert.
12. Vorrichtung nach Anspruch 11, wobei der Arbeitsstrom ein Mehrstofffluid ist, wobei die Vorrichtung ferner aufweist:
einen vierten Wärmetauscher (109), der so angeschlossen ist, daß er den ankommenden flüssigen Arbeitsstrom aus dem Kondensator (108) sowie den verbrauchten Arbeitsstrom aufnimmt und den ankommenden flüssigen Arbeitsstrom vorwärmt, wobei der verbrauchte Arbeitsstrom teilweise kondensiert wird.
13. Vorrichtung nach Anspruch 11, die ferner einen Stromteiler aufweist, der den verbrauchten geothermischen Strom in einen ersten Teilstrom und einen zweiten Teilstrom aufteilt, und wobei der durch den zweiten Wärmetauscher (103) aufgenommene verbrauchte geothermische Strom der erste Teilstrom ist, und die ferner aufweist:
eine Einrichtung (204) zum Entspannen des zweiten Teilstroms aus dem Stromteiler, zum Umwandeln seiner Energie in eine nutzbare Form und zum Erzeugen eines verbrauchten zweiten Teilstroms, und
einen vierten Wärmetauscher (203), der so angeschlossen ist, daß er den verbrauchten zweiten Teilstrom aus der Einrichtung (204) zum Entspannen des zweiten Teilstroms sowie den Arbeitsstrom mit einer Temperatur unterhalb der niedrigeren Temperatur aufnimmt, wobei der vierte Wärmetauscher (203) den verbrauchten zweiten Teilstrom kondensiert und den Arbeitsstrom mit einer Temperatur unterhalb der niedrigeren Temperatur erhitzt.
14. Vorrichtung zur Ausführung eines thermodynamischen Kreisprozesses, die aufweist:
eine Einrichtung (114) zum Entspannen eines gasförmigen Arbeitsstroms, zum Umwandeln seiner Energie in eine nutzbare Form und zum Erzeugen eines verbrauchten Stroms; einen Wärmetauscher (108) zur teilweisen Kondensation des verbrauchten Stroms und zur Wärmeübertragung aus dem verbrauchten Strom zu einem ankommenden flüssigen Mehrstoffarbeitsstrom;
einen Trenner (101) zum Trennen des Geofluids in geothermische Flüssigkeit und geothermischen Dampf; und
mehrere Wärmetauscher (103, 104, ...) zum Abkühlen geothermischer Flüssigkeit und zur Kondensation von geothermischem Dampf sowie zur Wärmeübertragung aus der geothermischen Flüssigkeit und dem geothermischen Dampf zum Verdampfen des flüssigen Arbeitsstroms und zur Bildung des gasförmigen Arbeitsstroms.
15. Vorrichtung nach Anspruch 14, die einen Wärmetauscher (104) zum Abkühlen geothermischer Flüssigkeit und zur Wärmeübertragung aus der geothermischen Flüssigkeit aufweist, um den flüssigen Arbeitsstrom zu überhitzen und den gasförmigen Arbeitsstrom zu bilden.
16. Vorrichtung nach Anspruch 14, die aufweist:
einen Stromtrenner (112) zum Aufteilen des erhitzten flüssigen Arbeitsstroms in einen ersten und einen zweiten Teilstrom;
einen Wärmetauscher (108) zur teilweisen Kondensation des verbrauchten Arbeitsstroms und zur Wärmeübertragung aus dem verbrauchten Arbeitsstrom, um den ersten Teilstrom teilweise zu verdampfen;
einen Wärmetauscher (107) zum Abkühlen der geothermischen Flüssigkeit und zur Wärmeübertragung aus der abgekühlten geothermischen Flüssigkeit, um den zweiten Teilstrom teilweise zu verdampfen;
und einen Strommischer (113) zum Vereinigen der teilweise verdampften ersten und zweiten Teilströme.
17. Vorrichtung nach Anspruch 14, die aufweist:
eine Einrichtung (102) zum Entspannen von geothermischem Dampf, zum Umwandeln seiner Energie in eine nutzbare Form und zum Erzeugen eines verbrauchten geothermischen Stroms;
einen Wärmetauscher (103) zur Kondensation des verbrauchten geothermischen Stroms und zur Wärmeübertragung aus dem verbrauchten geothermischen Strom, um den flüssigen Arbeitsstrom teilweise zu verdampfen; und
einen Strommischer zum Vereinigen des verbrauchten geothermischen Stroms mit der geothermischen Flüssigkeit.
18. Vorrichtung nach Anspruch 14, die aufweist:
eine Einrichtung (102) zum Entspannen von geothermischem Dampf, zum Umwandeln seiner Energie in eine nutzbare Form und zum Erzeugen eines verbrauchten geothermischen Stroms;
einen Stromtrenner zum Aufteilen des verbrauchten geothermischen Stroms in einen ersten und einen zweiten geothermischen Teilstrom;
einen Wärmetauscher (103) zur Kondensation des ersten geothermischen Teilstroms und zur Wärmeübertragung aus dem ersten geothermischen Teilstrom, um den flüssigen Arbeitsstrom teilweise zu verdampfen;
einen Strommischer (53) zum Vereinigen des ersten geothermischen Teilstroms mit der geothermischen Flüssigkeit;
eine Einrichtung (102) zum Entspannen des zweiten geothermischen Teilstroms, zum Umwandeln seiner Energie in eine nutzbare Form und zum Erzeugen eines verbrauchten geothermischen Teilstroms;
einen Wärmetauscher (203) zur Kondensation des verbrauchten geothermischen Teilstroms und zur Wärmeübertragung aus dem verbrauchten geothermischen Teilstrom, um den flüssigen Arbeitsstrom teilweise zu verdampfen; und
einen Strommischer (55) zum Vereinigen des verbrauchten geothermischen Teilstroms mit der geothermischen Flüssigkeit.
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