EP4536942A1 - Anordnung und verfahren zur umwandlung von abwärme in mechanische energie sowie verwendung einer absorptionskälteanlage als temperaturregler - Google Patents

Anordnung und verfahren zur umwandlung von abwärme in mechanische energie sowie verwendung einer absorptionskälteanlage als temperaturregler

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Publication number
EP4536942A1
EP4536942A1 EP23736596.0A EP23736596A EP4536942A1 EP 4536942 A1 EP4536942 A1 EP 4536942A1 EP 23736596 A EP23736596 A EP 23736596A EP 4536942 A1 EP4536942 A1 EP 4536942A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
temperature
line
recuperator
heat
engine
Prior art date
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Pending
Application number
EP23736596.0A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Thiago GOTELIP CORREA VELOSO
Uwe Gampe
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Technische Universitaet Dresden
Original Assignee
Technische Universitaet Dresden
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Filing date
Publication date
Application filed by Technische Universitaet Dresden filed Critical Technische Universitaet Dresden
Publication of EP4536942A1 publication Critical patent/EP4536942A1/de
Pending legal-status Critical Current

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    • 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
    • F01K9/00—Plants characterised by condensers arranged or modified to co-operate with the engines
    • F01K9/003—Plants characterised by condensers arranged or modified to co-operate with the engines condenser cooling circuits
    • 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
    • F01K19/00—Regenerating or otherwise treating steam exhausted from steam engine plant
    • F01K19/10—Cooling exhaust steam other than by condenser; Rendering exhaust steam invisible
    • 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
    • F01K25/00—Plants or engines characterised by use of special working fluids, not otherwise provided for; Plants operating in closed cycles and not otherwise provided for
    • F01K25/08—Plants or engines characterised by use of special working fluids, not otherwise provided for; Plants operating in closed cycles and not otherwise provided for using special vapours
    • F01K25/10—Plants or engines characterised by use of special working fluids, not otherwise provided for; Plants operating in closed cycles and not otherwise provided for using special vapours the vapours being cold, e.g. ammonia, carbon dioxide, ether
    • F01K25/103—Carbon dioxide
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25B—REFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • F25B15/00—Sorption machines, plants or systems, operating continuously, e.g. absorption type
    • F25B15/02—Sorption machines, plants or systems, operating continuously, e.g. absorption type without inert gas
    • F25B15/06—Sorption machines, plants or systems, operating continuously, e.g. absorption type without inert gas the refrigerant being water vapour evaporated from a salt solution, e.g. lithium bromide

Definitions

  • the invention relates to an arrangement and a method for converting waste heat into mechanical energy, in particular kinetic energy (also referred to as kinetic energy), using carbon dioxide (CO 2 ) in a supercritical state.
  • CO 2 in a supercritical state or supercritical CO 2 refers to carbon dioxide in a supercritical state, above the critical point at a temperature of 31 ° C and a pressure of 73.8 bar, also called supercritical CO 2 , hereinafter also briefly: sCO 2 .
  • Any heat source is considered waste heat within the meaning of the invention, even if it is not residual heat from an industrial process, but rather from a renewable source, for example.
  • the arrangement comprises a) a pump arrangement for increasing the pressure and further transporting the CO 2 under transcritical conditions from a line, the CO 2 at the inlet of the pump arrangement having a pressure above the critical CO 2 pressure and a temperature below the critical CO 2 temperature , b) at least two heat exchangers, a preheater and a main heater for transferring waste heat from a waste heat stream in a line to the CO 2 as a carrier medium and working medium, so that the CO 2 can be present in the supercritical state as sCO 2 , c) an engine for Generation of mechanical energy by means of the sCO 2 , and d) an absorption refrigeration system for the controlled cooling of the CO 2 emerging from the engine, from which heat has then already been removed in the recuperator, comprising an expeller and an evaporator in which the CO 2 is heat in two stages is removed by comprising a line that leads from the recuperator to the expeller and further comprising a line that leads from the expeller to the evaporator.
  • the method includes the steps a) pressure increase and transport of CO 2 by means of a pump arrangement), whereby the CO 2 at the inlet of the pump arrangement has a pressure above the critical CO 2 pressure and a temperature below the critical CO 2 temperature, b) transfer of waste heat from a waste heat stream to CO 2 as a carrier medium and working medium sequentially in at least two stages, so that the CO 2 is present in the supercritical state as sCO 2 after compression, and c) Generation of mechanical energy from the sCO 2 using a power machine.
  • the invention also relates to the use of an absorption refrigeration system as a bottoming system of an sCO 2 circuit, the absorption refrigeration system serving as a cooler for the topping system and comprising an expeller and an evaporator.
  • the regulation relates to the heat removal from the CO 2 system of an arrangement for converting waste heat into mechanical energy or specifically into kinetic energy, the arrangement according to the invention.
  • the arrangement for converting waste heat into mechanical energy is also referred to below as the energy system.
  • Waste heat is heat that is primarily generated by technical systems and is released into the environment or can also be used. From a thermodynamic point of view, most real processes are irreversible. As a result of the dissipation of energy, heat is inevitably generated during these processes. Technical devices and systems cannot be operated without generating waste heat. This usually has to be diverted to avoid malfunctions due to overheating or to restore the initial state of the working medium in cycle processes.
  • CO 2 is non-flammable, does not contribute to ozone depletion and has a much lower global warming potential than conventional refrigerants. That is in small quantities Gas is also non-toxic, but high concentrations in the air pose a risk of suffocation.
  • systems that operate with CO 2 as a refrigerant must withstand higher system pressures and lower, critical temperatures. A system must be built and maintained accordingly safely.
  • the critical point is therefore very close to the operating range.
  • the critical point which is 31 °C and 73.8 bar, is already exceeded at an ambient temperature of 26 °C. This is then referred to as transcritical operation of the refrigeration system, especially when both subcritical and supercritical conditions occur.
  • the critical point is reached when the densities of the liquid and gaseous phases become so similar that there is no longer any difference in pressure and temperature between the two states of aggregation. When this critical point is exceeded, one speaks of a transcritical or supercritical system.
  • CN 112412555 A an sCO 2 intercooling is used and the operating temperature of the CO 2 is higher than necessary for the supercritical state.
  • Combined sCO 2 /LiBr/H 2 O systems for heat sources such as nuclear reactors, solar systems and internal combustion engines work at high temperatures (above 600 ° C), as also described, for example, in the publication CN 112412555 A.
  • There the cooling water is used to reduce the CO 2 temperature in the intercooling before secondary compression.
  • Supercritical operation ie temperatures and pressures higher than the critical CO 2 pressure, is considered.
  • the solution according to publication CN 109519243 B uses an sCO 2 system combined with an NH 3 /H 2 O absorption refrigeration system. Superheated ammonia drives its own turbine.
  • the sCO 2 cycle is a simple cycle.
  • the NH 3 /H 2 O vapor is used as a heat source for a LiBr absorption cooler.
  • the publication CN 109519243 B therefore describes an energy system based on an interconnection or combination of two Rankine cycle processes, consisting of a simple sCO 2 process as a preliminary process (topping cycle or topping process) and an ammonia/water (NH 3 /H 2 O) steam cycle process as a downstream process (bottoming cycle or bottoming cycle).
  • the non-workable heat from the two thermodynamic cycle processes is dissipated using a LiBr absorption refrigeration system and an additional, separate CO 2 cooler.
  • the heat dissipation is as follows:
  • the heat from the sCO 2 is first used in the expeller (generator) of a LiBr absorption refrigeration system.
  • the carbon dioxide is then further cooled in a separate CO 2 cooler with an unnamed external cooling medium and a downstream cooler, the evaporation condenser, until it is completely liquefied and then fed to the pump.
  • the latter cooler or CO 2 condenser represents the evaporator of the LiBr absorption refrigeration system.
  • heat is dissipated using three devices.
  • the publication CN 1 09 519 243 B does not provide any information about state and process variables, so that the process control and the gradual heat dissipation cannot be thermodynamically reproduced.
  • the object of the present invention is therefore to provide an arrangement and a method for converting waste heat into mechanical energy using carbon dioxide (CO 2 ) in the supercritical state (sCO 2 ), as well as to offer a method for its operation and the use of an absorption refrigeration system in which the disadvantages of the prior art are overcome and a constant cooling performance of a CO 2 energy system is combined with the highest possible efficiency or useful power when converting waste heat into kinetic energy.
  • the system should be as simple as possible and use as few components as possible. These should be as robust and less susceptible to failure as possible and at the same time be able to work independently of daily and seasonal fluctuations in the ambient temperature. In addition, a robust system should also be provided for off-design conditions, i.e. under conditions that differ from those for which the system was designed.
  • the subject of the invention is an arrangement for converting waste heat into mechanical energy, in particular kinetic energy, comprising an energy system in which CO 2 is used in its state as sCO 2 to convert waste heat into mechanical energy a) a pump arrangement for increasing the pressure and further transporting the CO 2 under transcritical conditions from a line, the CO 2 at the inlet of the pump arrangement having a pressure above the critical CO 2 pressure and a temperature below the critical CO 2 temperature, b) at least two heat exchangers, a preheater and a main heater for transferring waste heat from a waste heat stream in a line to the CO 2 as a carrier medium and working medium, so that the CO 2 can be present in the supercritical state as sCO 2 , c) an engine for generating mechanical Energy by means of the sCO 2 , and d) an absorption refrigeration system for the controlled cooling of the CO 2 emerging from the engine, from which
  • the use of the cooling system with the main components: expeller, condenser, evaporator and absorber serves primarily to remove heat from the two streams that pass through the absorption refrigeration system.
  • the first stream in a preferred embodiment, is the heat source in the expeller for evaporating water from the mixture of water (refrigerant) and lithium bromide (absorbent) represented by the stream.
  • the current after the recuperator is therefore the main drive for the expeller.
  • the flow from the condenser to the evaporator with a temperature of 15 °C is the cooling medium for the second stage of heat removal from the CO 2 stream in the evaporator.
  • the evaporator is the main cooler of the sCO 2 circuit.
  • a recuperator a heat exchanger
  • the recuperator as a special heat exchanger serves to transfer heat from the CO 2 emerging from the engine to the sCO 2 leading to the engine.
  • a line leads from the engine to this recuperator, from there to the expeller and from the expeller to an evaporator (also called an evaporator), from which the line runs to the pump arrangement.
  • a pump or a compressor or compressor is used as a pump arrangement.
  • the recuperator and the preheater there is a flow divider for dividing the CO 2 flow into a first partial flow to the recuperator and a second partial flow for transferring waste heat by means of the first heat exchanger, the preheater, arranged.
  • the arrangement according to the invention is a thermoeconomically optimized SH (Sequential Heating) architecture.
  • the present invention also includes the fact that the line can lead to further, additional components along its course.
  • the expeller and evaporator are therefore coolers for a topping process, whereby the evaporator is known to evaporate the coolant of the absorption refrigeration system.
  • the evaporator serves as a condenser for the CO 2 emerging from the turbine, so that it is then present as subcritical CO 2 , preferably with a temperature of 20 ⁇ 5 °C, in particular 20 ⁇ 2 °C. This temperature range represents a central part of the invention.
  • the CO 2 at the inlet of the pump arrangement has a pressure above the critical CO 2 pressure and a temperature below the critical CO 2 temperature.
  • the CO 2 preferably has a pressure above the critical pressure, but at least 75 bar, and a temperature between 20 ° C and 28 ° C.
  • the flow divider is designed or set in such a way that a mass flow ratio of 55 to 65% for the first partial flow of CO 2 under high pressure in the first line in relation to the partial flow in the second line, which both lead to the recuperator.
  • the first line leads directly from the flow divider to the recuperator, while the second line leads from the engine or turbine to the recuperator so that the CO 2 flowing there can release the residual heat from the engine to the first partial flow.
  • the division into partial streams is an important feature of the preheating architecture.
  • the CO 2 flow is divided according to the low-temperature recuperator as the main feature of the recompression architectures. With such an arrangement, only part of the CO 2 mass flow is passed into the absorption refrigeration machine, while the rest goes into the recompressor.
  • the entire mass flow expanded in the engine, in particular the turbine is directed to the recuperator and subsequently completely to the driver of the absorption refrigeration machine.
  • the precooler regularly takes over the heat dissipation, with part of the heat also being dissipated by supplying energy to the absorption refrigeration machine. Therefore, the previously known application differs in terms of cooling water consumption and temperature levels.
  • the absorption chiller instead transfers the heat of the CO 2 directly to the evaporator and keeps the CO 2 temperature at the pump or compressor inlet below the critical CO 2 temperature as indicated.
  • CO 2 under high pressure in a first partial stream from the recuperator, CO 2 under high pressure in a further partial stream, which is brought in from the preheater, are combined through a mixer into a line that runs to the main heater.
  • the preheating architecture thus created allows better utilization of the heat source by recovering heat at two temperature levels, with the main heater acting as a heat exchanger at higher temperatures.
  • the preheater allows additional heat to be recovered from the heat source downstream of the main heater. This creates an additional mass flow, which increases the performance of the Engine (or electricity generation by a connected generator) and a more efficient cycle.
  • the line from the engine leads via the recuperator to the absorption refrigeration system. It has proven to be advantageous if a line between the expeller and the evaporator of the absorption refrigeration system runs past a sub-cooler, whereby the CO 2 is further cooled and the cooling capacity at the evaporator is increased.
  • a particularly advantageous embodiment of the absorption refrigeration system is a LiBr/H 2 O absorption refrigeration system.
  • the Li Br absorption system generally works with a heat source temperature of over 75 ° C on the engine. Therefore, the absorption system with LiBr offers better operating characteristics for the proposed system.
  • absorption systems based on ammonia/water for example, require a heat source with temperatures above 100 °C, which would mean a loss of performance for the topping system (sCO 2 ).
  • the invention also relates to a method for converting waste heat into mechanical energy, in particular kinetic energy, comprising the steps: a) increasing the pressure of CO 2 and transporting it through a line by means of a pump arrangement, the CO 2 having a pressure at the inlet of the pump arrangement (1). above the critical CO 2 pressure and a temperature below the critical CO 2 temperature, b) transferring waste heat from a waste heat stream to CO 2 as a carrier medium and working medium sequentially in at least two stages, so that the CO 2 after compression in the supercritical State as sCO 2 is present, c) generation of mechanical energy from the sCO 2 using a power machine.
  • the flow of CO 2 is split after cooling at the extractor and evaporator and immediately after the output of the pump by the flow divider, which is arranged between the pump, recuperator and the preheater, with a first part going to the recuperator (in step e) of the method or paragraph e) of the energy system), and another, second part is directed to the heat exchanger according to the invention in step b) of the method or paragraph b) of the energy system. It therefore makes sense to have lines leading from the flow divider to the recuperator and from the flow divider to the heat exchanger (from paragraph b) of the description of the energy system components). Operating the recuperator with two mass flow rates enables better thermodynamic performance of the system.
  • the imbalance of heat capacity at the (low temperature) recuperator is a common feature of sCO 2 operation.
  • the higher heat capacity on the cold side of the recuperator limits heat transfer and limits the effectiveness of the system by reducing the power outlet temperature.
  • the preheat architecture offers an alternative to overcome this limitation by employing different mass flows between the two streams passing through the recuperator.
  • a multi-criteria optimization of the proposed system has surprisingly shown that a mass flow ratio of 55 to 65% for a first CO 2 partial flow under high pressure in the line from the flow divider to the recuperator in relation to a second flow in the line from the drive machine to the recuperator Enables increasing the thermal performance of the recuperator and offers the best thermo-economic compromise for the sCO 2 cycle for waste heat recovery applications.
  • the two CO 2 partial streams which were previously divided by the flow divider, are combined in the mixer.
  • the first partial flow after it has passed through the recuperator and there the heat transfer has taken place from the CO 2 emerging from the engine to the sCO 2 in a line leading to the engine according to step e) explained above, is mixed with the second partial flow CO 2 stream combined.
  • the second partial stream had previously passed through the preheater and absorbed heat from the waste heat stream that had already cooled down in the main heater.
  • the combined CO 2 partial streams can together absorb the waste heat at a higher temperature level in the main heater in the previously explained step b).
  • the CO 2 has a temperature between 20 and 28 ° C before entering the pump arrangement and the CO 2 is present there in the transcritical state.
  • step b) the waste heat is transferred from a medium that has a maximum temperature of 450 ° C. Higher temperatures can also be used in other ways, while the advantages of the method according to the invention are realized precisely when the waste heat has a temperature of not more than 450 ° C.
  • the temperature of the CO 2 emerging from the engine or turbine should preferably be 240 ⁇ 20 °C and after the heat transfer in step e) should be 75 ⁇ 10 °C.
  • the temperature of the CO 2 to be cooled at the inlet of the expeller is preferably 75 ⁇ 10 ° C.
  • recuperator outlet temperature of 75 ⁇ 10 °C enables a better thermo-economic compromise for the system application.
  • CO 2 flow in this temperature range at the generator inlet enables smooth operation of the system as a drive heat source for the absorption cooling system.
  • the object according to the invention is thus achieved by a combined system configuration in which the SH (Sequential Heating) sCO 2 system, optimized for waste heat utilization with a maximum process temperature of around 450 ° C, is used as a topping system with an H 2 O/LiBr system.
  • Absorption refrigeration system is combined as a bottom ing system in such a way that the bottom ing system controls the heat dissipation or forms the controller.
  • the process temperature is preferably between 350 and 400 °C.
  • the invention ensures a constant subcritical inlet temperature (e.g. 20 ° C) in the pump arrangement, e.g. B. the compressor or the pump. This enables efficient use of heat even in a medium temperature range between 350 to 400 °C, e.g.
  • B. in the form of waste heat from a technical process.
  • this is done by means of a recuperated, transcritical sCO 2 process, ie a process with a subcritical entry temperature into the pressure increase of e.g. B. 20 °C at supercritical pressure, e.g. B. 75 bar.
  • This is not possible or not implemented in this way with a conventional sCO 2 recompression cycle and represents a significant difference between the invention and the prior art.
  • the invention therefore relates to recuperated, transcritical sCO 2 process architectures, which, for. B. can be used for heat sources in the temperature range of 350 to 400 °C, e.g. B. for the utilization of waste heat from gas turbines, engines or industrial processes.
  • the performance of these transcritical sCO 2 process architectures depends heavily on recooling.
  • the non-working heat is removed from the sCO 2 process in such a way that the inlet temperature into the pump arrangement is kept constant regardless of seasonal and daily temperature fluctuations, e.g. B. at 20 °C, and thus the mentioned performance fluctuations can be compensated for during operation.
  • an absorption cooling system is envisaged as the bottoming system of an sCO 2 circuit, which serves as a cooler for the topping system.
  • the first CO 2 stream that leaves the recuperator is the exclusive heat source for driving the expeller, which evaporates the water (refrigerant) from the mixture with lithium bromide (absorbent) and removes the heat from the CO 2 stream.
  • the steam is passed into the condenser and the stream with temperatures in the range of 15 °C ⁇ 5 °C is the cooling medium in the evaporator, which removes the heat from the second CO 2 stream leaving the expeller.
  • the evaporator controls the temperature of the CO 2 stream at the inlet of the pump assembly to subcritical temperature conditions of 20 to 28 °C, independent of the seasonal fluctuations in the ambient temperature. In this way, the evaporator is the main cooler of the topping system.
  • the absorption cooling system works without a solution heat exchanger, which is unnecessary due to the invention and which increases the heat dissipation in the expeller. Both absorption cooling systems are arranged in parallel to the first CO 2 stream To extract heat, which enables sufficient cooling performance in the evaporator. This makes the absorption cooling system more efficient and can better control the topping system or the topping process.
  • the waste heat used is, for example, waste heat from an exhaust gas, for example an industrial exhaust gas, which is produced during an industrial process.
  • an exhaust gas for example an industrial exhaust gas
  • the operation of the absorption refrigeration system is explained in more detail in the exemplary embodiments using the drawings.
  • the recuperator is necessary to be able to increase the mass flow in the CO 2 circuit. Without the recuperator, the low temperature of the waste heat from some industrial exhaust gases would be an obstacle to efficient conversion into mechanical energy or, in particular, kinetic energy. Because it is a significant advantage of the invention that heat transfer media with which the waste heat is discharged at a low temperature, namely a maximum temperature of 450 ° C, can also be used and converted with high efficiency into mechanical energy or, in particular, kinetic energy.
  • the process temperature is preferably between 350 and 400 °C.
  • absorption systems such as a LiBr/H 2 O system
  • an energy source is required in the expeller in order to evaporate the water from the water-LiBr mixture (mixture of refrigerant and salt solution of the absorption refrigeration system).
  • This refrigerant vapor is then condensed in the condenser, expanded (preferably using an expansion valve) and fed into the evaporator in the liquid phase at a low temperature, whereby the coolant water evaporates.
  • the CO 2 mass flow which represents a partial flow of the CO 2 emerging from the engine or the turbine, is used to cool.
  • the condenser of the absorption refrigeration system is cooled with cooling water, whereby the temperature of this cooling water has little to no influence on the stable operation of the energy system.
  • no commonly used cooling water is required for cooling the CO 2 , which can be subject to external, seasonal fluctuations and would require adjustment of the entire system, including efficiency.
  • the CO 2 can be cooled so effectively and consistently that the subcritical range of approx. 20 ⁇ 5 °C of the CO 2 in front of the pump arrangement can be reached and operated consistently and over seasonal fluctuations (as is the case with cooling water, for example). above all, it is stable and consistent.
  • the useful performance of the sCO 2 process for utilizing waste heat is hardly reduced, despite the seasonal increase in outside temperatures.
  • the configuration according to the invention has high thermoeconomic performance even under off-design conditions. Furthermore, local two-phase flows do not occur at the entry into the pump arrangement. This would have a negative impact on the stability of the process and the service life of the energy system. This results in regulated cooling.
  • Expellers and evaporators of the absorption refrigeration system serve as temperature controllers for heat dissipation. The temperature control preferably takes place sensibly by changing the mass flows.
  • the arrangement according to the invention advantageously works with higher, supercritical pressures, so that the CO 2 immediately in front of the engine, for example the turbine, is in the supercritical range, which increases the efficiency of the generator.
  • Another advantage is that there is no need for internal recuperators in the absorption refrigeration system.
  • the invention therefore also requires fewer components.
  • the invention is therefore easy to implement, reduces the number of components in the system and ultimately the useful absorption and conversion of waste heat is improved.
  • An external heat source for the absorption system is no longer necessary.
  • the sCO 2 is cooled exclusively by the absorption refrigeration system, using step d) of the method or the recuperator in paragraph d) according to claim 1, directed to the arrangement for converting waste heat into mechanical or kinetic energy, or the description of the Arrangement according to the invention the hot CO 2 is pre-cooled.
  • the invention is characterized by, but is not limited to, the following preferred embodiments.
  • the line between the expeller and the evaporator of the absorption refrigeration system passes a sub-cooler.
  • the absorption refrigeration system is a LiBr/H 2 O absorption refrigeration system. It is particularly advantageous if the absorption refrigeration system works without a solution heat exchanger recuperator between the expeller and the absorber. This is required according to the prior art, but is not required for the system according to the invention, as has surprisingly been shown.
  • the energy system advantageously comprises a generator for generating electrical power, mechanically connected to the engine, designed as a turbine, or in step c) of the method, the mechanical or kinetic energy of the engine or turbine is additionally supplied to the engine by means of a Mechanically coupled generator generates electricity.
  • the temperature of the CO 2 before entering the pump arrangement is preferably 20 ⁇ 5 °C, so that the CO 2 is in the subcritical state there.
  • the waste heat is transferred from a medium, a waste heat stream, which has a maximum temperature of 450 ° C, preferably between 350 and 400 ° C.
  • the temperature of the CO 2 emerging from the turbine is at 240 ⁇ 20 °C and after the heat transfer in step d) at 75 ⁇ 10 °C, preferably before at 235-245 °C and afterwards at 70-80°C.
  • the sCO 2 leading to the turbine is particularly preferably heated from 40-60 °C to 225 ⁇ 20 °C, in particular from 50 ⁇ 5 °C to 205-235 °C.
  • Another advantage of the invention is a simplification of the absorption system by eliminating the SHX, the internal heat exchanger with SHX equipment (solution heat exchanger).
  • This device is a heat exchanger between the expeller and absorber of the absorption cooling system. The use of this equipment is standard in the art for an absorption system, but requires additional effort. The elimination of this device, which the invention makes possible, means a simplification of the system.
  • the use of the system according to the invention for utilizing waste heat from industrial processes is particularly advantageous in the thermal use of heat sources classified as medium temperatures. Because their use represents a technical and economic challenge for energy production through sCO 2 systems. The proposed changes are therefore suitable for creating greater application potential for the combined system. However, for high-temperature heat sources, the operating characteristics are completely different.
  • Figure 1 shows a first embodiment of the invention.
  • Figure 2 shows a second embodiment of the invention with an additional sub-cooler.
  • Fig. 3 shows the location of the supercritical region in an entropy-temperature diagram.
  • FIG. 1 A circuit of supercritical CO 2 , sCO 2 is shown schematically in FIG. 1, in particular the arrangement according to the invention for converting waste heat into mechanical energy.
  • the CO 2 is consistently referred to as the working medium, since it represents the working medium of a thermal power process or a heat engine for the method according to the invention, carried out in the arrangement according to the invention, the preferred embodiments of which are described.
  • the pressure of the working medium is raised above the critical pressure by a pump 1 as an embodiment of the pump arrangement, which then prevails at the outlet of the pump 1 and in line 2.
  • a flow divider 3 the working medium is divided into two partial flows between lines 4 and 5, with the first partial flow in line 4 being passed through a high-temperature recuperator 6 and the second partial flow in line 5 being passed through a heat exchanger, a preheater 7.
  • the recuperator 6 is designed to operate with two different mass flow rates, with the mass flow rate in line 4, the first partial flow, corresponding to 55 to 65% of the mass flow rate in line 19, the second partial flow after exiting the engine 17. This enables better thermodynamic performance of the entire system because this ratio of mass flows allows greater heat transfer between the low pressure and high temperature flow in line 19 and the high pressure and low temperature flow in line 4.
  • the lower irreversibility means that the recuperator 6 has better thermodynamic performance.
  • the proposed mass flow rate allows a better balance between the heat capacities on both sides of the heat exchanger. This results in a better temperature gradient in the heat exchanger, which increases the overall heat transfer efficiency and the Irreversibility reduced. This therefore leads to improved thermal efficiency of the heat exchanger.
  • the exhaust gas as a carrier of the waste heat in line 15 first heats the working medium by means of the second heat exchanger, the preheater 7, so that the working medium reaches an increased temperature at which it then flows into line 9.
  • a mixer 10 mixes the working media from lines 8 and 9, the resulting working medium flows in line 11 to a first heat exchanger, a main heater 12, while the exhaust gas as a carrier of the waste heat intended for use as an energy source flows through line 14 entering the heat exchanger 12 the already preheated working medium is heated further.
  • the use of the cooling system with the main components expeller 23, condenser 25, evaporator 31, absorber 33 primarily serves to dissipate heat from the streams 20 and 21.
  • Stream 20 is the heat source in expeller 23 for evaporating water from the mixture of water (refrigerant) and lithium bromide (absorbent) represented by stream 36.
  • the current 20 after the recuperator 6 is therefore the main drive for the expeller 23.
  • the Stream 30 with a temperature of 15 °C is the cooling medium for the heat removal from the CO 2 stream 21 in the evaporator 31.
  • the evaporator 31 is the main cooler of the sCO 2 circuit.
  • water H2O
  • lithium bromide LiBr
  • the weak lithium bromide solution absorbs heat from the working medium flowing in line 20 in order to evaporate the refrigerant (water).
  • the water vapor then flows from the expeller 23 as refrigerant vapor in line 24 into the condenser 25 and condenses to the state in which it enters the outlet 28.
  • Coolant for example cooling water, is supplied via the coolant connections 26, 27.
  • the high-pressure liquid refrigerant flowing through the line 28 expands at an expansion valve 29, whereby the pressure of the refrigerant in the line 30 leaving the expansion valve 29 drops to the low pressure in the evaporator 31.
  • the refrigerant evaporates to the saturated vapor refrigerant by absorbing the heat from the cooled working fluid in line 21 in the evaporator 31 and enters line 32.
  • the refrigerant here water in the state of saturated vapor, enters through line 32 into an absorber 33 to be absorbed by the strong salt solution (LiBr solution).
  • An absorber pump 35 increases the pressure of the now diluted LiBr-H 2 O solution flowing to it via line 34 and leads it via line 36 to the inlet into the expeller 23, where the water is expelled.
  • the now concentrated LiBr salt solution leaves the expeller 23 via line 37, expands at a throttle valve 38 and enters the absorber 33 via line 39. Heat is dissipated in the absorber 33 via cooling connections 40, 41, for example by means of cooling water.
  • FIG. 3 shows in a Ts diagram with the specific entropy s as the abscissa and the absolute temperature T as the ordinate the schematic supercritical region 50, as used, for example, in CO 2 processes such as the method according to the invention.
  • the subcritical region 51 has a higher specific entropy s and the mixed phase region 52 is at a lower temperature? shown.

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Abstract

Anordnung und Verfahren zur Umwandlung von Abwärme in mechanische Energie unter Einsatz überkritischem sCO2, umfassend eine Pumpenanordnung (1) zur Druckerhöhung des CO2 durch eine Leitung (2), zwei Wärmeübertragern, einem Vorheizgerät (7) und einem Hauptheizgerät (12), zur Übertragung von Abwärme aus einem Abwärmestrom in einer Leitung (14, 15, 16) auf das CO2 als Arbeitsmedium, so dass das CO2 im überkritischen Zustand vorliegen kann, eine Kraftmaschine (17) zur Generierung von mechanischer Energie mittels des sCO2, und eine Absorptionskälteanlage zur geregelten Kühlung des CO2 aus der Kraftmaschine (17), umfassend einen Austreiber (23) und einen Verdampfer (31), wobei eine Leitung für das aus der Kraftmaschine (17) austretende CO2 (19) von der Kraftmaschine (17) zum Austreiber (23) und zum Verdampfer (31) der Absorptionskälteanlage führt. Nach der Erfindung hält die Absorptionskälteanlage die Temperatur am Einlass der Pumpenanordnung (1) konstant unter der kritischen Temperatur, ist zwischen Kraftmaschine (17) und Austreiber (23) ein Rekuperator (6) zum Wärmetransfer von dem aus der Kraftmaschine (17) austretenden CO2 zum zur Kraftmaschine (17) hinführenden sCO2 angeordnet, und ist zwischen der Pumpenanordnung (1), dem Rekuperator (6) und dem Vorheizgerät (7) ein Flussteiler (3) zum Teilen des Stroms aus CO2 in einen ersten Teilstrom zum Rekuperator (6) und einen zweiten Teilstrom zur Übertragung von Abwärme mittels der zwei Wärmeübertrager (7, 12) angeordnet.

Description

Anordnung und Verfahren zur Umwandlung von Abwärme in mechanische Energie sowie Verwendung einer Absorptionskälteanlage als Temperaturregler
Die Erfindung betrifft eine Anordnung und ein Verfahren zur Umwandlung von Abwärme in mechanische Energie, insbesondere Bewegungsenergie (auch als kinetische Energie bezeichnet), unter Einsatz von Kohlendioxid (CO2) in überkritischem Zustand. CO2 in überkritischem Zustand oder überkritisches CO2 bezeichnet Kohlendioxid in einem überkritischen Zustand, oberhalb des kritischen Punkts bei einer Temperatur von 31 °C und einem Druck von 73,8 bar, auch superkritisches CO2 genannt, nachfolgend auch kurz: sCO2. Als Abwärme im Sinne der der Erfindung wird jede Wärmequelle betrachtet, auch wenn es keine Restwärme aus einem industriellen Prozess ist, sondern beispielsweise aus einer regenerativen Quelle.
Die Anordnung umfasst a) eine Pumpenanordnung zur Druckerhöhung und zum Weitertransport des CO2 unter transkritischen Bedingungen aus einer Leitung, wobei das CO2 am Einlass der Pumpenanordnung einen Druck oberhalb des kritischen CO2-Drucks und eine Temperatur unterhalb der kritischen CO2-Temperatur aufweist, b) wenigstens zwei Wärmeübertrager, ein Vorheizgerät und ein Hauptheizgerät zur Übertragung von Abwärme aus einem Abwärmestrom in einer Leitung auf das CO2 als Trägermedium und Arbeitsmedium, so dass das CO2 im überkritischen Zustand als sCO2 vorliegen kann, c) eine Kraftmaschine zur Generierung von mechanischer Energie mittels des sCO2, und d) eine Absorptionskälteanlage zur geregelten Kühlung des aus der Kraftmaschine austretenden CO2, dem danach im Rekuperator bereits Wärme entzogen wurde, umfassend einen Austreiber und einen Verdampfer, in denen dem CO2 in zwei Stufen Wärme entzogen wird, indem eine Leitung umfasst ist, die vom Rekuperator zum Austreiber führt und weiterhin eine Leitung umfasst ist, die vom Austreiber zum Verdampfer führt.
Das Verfahren umfasst die Schritte a) Druckerhöhung und Transport von CO2 mittels einer Pumpenanordnung), wobei das CO2 am Einlass der Pumpenanordnung einen Druck oberhalb des kritischen CO2- Drucks und eine Temperatur unterhalb der kritischen CO2-Temperatur aufweist, b) Übertragung von Abwärme aus einem Abwärmestrom auf CO2 als Trägermedium und Arbeitsmedium sequenziell in mindestens zwei Stufen, sodass das CO2 nach der Verdichtung im überkritischen Zustand als sCO2 vorliegt, und c) Generierung von mechanischer Energie aus dem sCO2 mittels einer Kraftmaschine.
Die Erfindung betrifft auch die Verwendung einer Absorptionskälteanlage als Bottom ing-System eines sCO2-Kreislaufs, wobei die Absorptionskälteanlage als Kühler für das Topping-System dient und einen Austreiber und einen Verdampfer umfasst. Die Regelung betrifft die Wärmeabfuhr aus dem CO2-System einer Anordnung zur Umwandlung von Abwärme in mechanische Energie bzw. konkret in Bewegungsenergie, der erfindungsgemäßen Anordnung. Die Anordnung zur Umwandlung von Abwärme in mechanische Energie wird nachfolgend auch kurz Energieanlage genannt.
Abwärme ist Wärme, die vorrangig von technischen Anlagen erzeugt und an die Umgebung abgegeben wird oder auch genutzt werden kann. Thermodynamisch betrachtet sind die meisten realen Prozesse irreversibel. Als Folge der Dissipation von Energie entsteht bei diesen Vorgängen unvermeidlich Wärme. Technische Geräte und Anlagen können nicht betrieben werden, ohne dass Abwärme erzeugt wird. Diese muss meist abgeleitet werden, um Störungen durch Überhitzung zu vermeiden oder um bei Kreisprozessen den Ausgangszustand des Arbeitsmediums wiederherzustellen.
Aufgrund der besonderen Eigenschaften von CO2 oberhalb des kritischen Punkts und der sich daraus ergebenden Vorteile bei der Anwendung in thermodynamischen Kreisprozessen wird CO2 in der Fachwelt als Arbeitsfluid einer neuen Generation thermischer Energiemaschinen verstanden. Höhere Wirkungsgrade sowie eine deutliche Reduktion von Baugröße und Komplexität der Einzelkomponenten ermöglichen dabei eine bessere Ausnutzung bestehender sowie die Erschließung neuer, bisher nicht wirtschaftlich verwertbarer Wärmequellen.
Kohlenstoffdioxid (CO2, ASHRAE-Nummer: R744) hat als Kältemittel bereits eine lange Tradition, wurde mit dem Aufkommen synthetischer Kältemittel in den 1930er-Jahren als Kältemittel jedoch weitgehend verdrängt. Erst in den 1980er- und 1990er- Jahren, als klar wurde, dass die am häufigsten eingesetzten synthetischen Kältemittel im Wesentlichen für den Ozonabbau und den Treibhauseffekt verantwortlich sind, rückte das Kohlenstoffdioxid wieder ins Rampenlicht.
CO2 ist nicht brennbar, trägt nicht zum Ozonabbau bei und besitzt ein vielfach geringeres Treibhauspotenzial als herkömmliche Kältemittel. In kleinen Mengen ist das Gas zudem ungiftig, bei hohen Konzentrationen in der Luft droht allerdings Erstickungsgefahr. Anlagen, die mit CO2 als Kältemittel betrieben werden, müssen indes höhere Systemdrücke und niedrigere, kritische Temperaturen aushalten. Entsprechend sicher muss eine Anlage gebaut sein und gewartet werden.
Da Kohlenstoffdioxid allerdings gegenüber konventionellen Kältemitteln ein günstigeres Druckverhältnis und eine fünf- bis achtfach größere volumetrische Leistung besitzt, können die Anlagekomponenten wie Verdichter oder Rohrdurchmesser wesentlich kleiner dimensioniert werden. Durch den hohen Wärmeübertragungskoeffizienten von CO2 kann der Wärmeübertrager kleiner ausfallen. Aufgrund der geringen Viskosität ist weniger Pumparbeit nötig, was vor allem bei Anlagen mit größerer Netzlänge vorteilhaft ist. Durch all das wiederum reduzieren sich Materialeinsatz, Anlagengewicht und Abtauzeit.
Da der kritische Punkt von CO2 mit rund 31 °C (Grad Celsius) nahe der Umgebungstemperatur liegt, haben saisonale und tageszeitliche Schwankungen der Umgebungstemperatur signifikante Auswirkungen auf die Wärmeabfuhr aus dem Prozess. Für eine bestimmte Auslegung eines Kühlers hat ein Anstieg der Umgebungstemperatur Wirkungsgrad- und Leistungsminderungen zur Folge, da sich die Druckerhöhung im Prozess in Richtung höherer Kompressibilität und folglich auch Verdichtungsarbeit verschiebt. Wie stark diese Auswirkungen sind, hängt von der Prozessarchitektur und der Lage des Eintrittszustandes für die Druckerhöhung im Design-Punkt (DP) ab.
Der kritische Punkt liegt demnach sehr nahe am Betriebsbereich. Tatsächlich wird der kritische Punkt, der bei 31 °C und 73,8 bar liegt, schon ab einer Umgebungstemperatur von 26 °C überschritten. Man spricht dann vom transkritischen Betrieb der Kälteanlage, insbesondere wenn sowohl unter- als auch überkritische Zustände auftreten.
Der Punkt, definiert durch Druck und Temperatur, an dem alle drei Aggregatzustände fest, flüssig und gasförmig zugleich auftreten, sich also im Gleichgewicht miteinander befinden, wird als Triplepunkt bezeichnet. Der kritische Punkt ist erreicht, wenn sich die Dichten der flüssigen und der gasförmigen Phase so weit angleichen, dass zwischen beiden Aggregatszuständen kein Unterschied in Druck und Temperatur mehr existiert. Beim Überschreiten dieses kritischen Punktes spricht man von einem transkritischen bzw. überkritischen System.
Bei herkömmlichen Kältemitteln spielen die thermodynamischen Punkte meist keine Rolle, beim Einsatz von CO2 sind sie jedoch wichtig. Über dem kritischen Punkt bei 31 °C und 73,8 bar treten sehr hohe Drücke auf, weswegen bei subkritischen Anlagen, also solchen, die unterhalb des kritischen Punktes arbeiten, vor allem eine übermäßige Erwärmung der Anlage (beispielsweise durch die Umgebungstemperatur) vermieden werden muss, etwa durch Schutzmaßnahmen wie eine Hilfskühlung, ein Ausgleichsgefäß oder das Ablassen von CO2.
Bei transkritischen Anlagen gibt es in der Regel keinen Verflüssiger, sondern einen Gaskühler. Darüber hinaus müssen transkritische Anlagen sehr hohen Drücken von weit über 75 bar standhalten. Der Einsatz von transkritischen CO2-Kälteanlagen ist vor allem dann effizient, wenn die Umgebungstemperatur bzw. die Temperatur auf der warmen Seite durchschnittlich unter 15 °C liegt, denn je höher die Temperatur, desto geringer die Effizienz.
Es ist aus dem Stand der Technik bekannt, Absorptionskälteanlagen mit sCO2- Energieanlagen, Energieanlagen, die überkritisches CO2 einsetzen, zu verknüpfen, um Abwärme, beispielsweise aus Industrieabgasen, nutzbar zu machen. Die Absorptionskälteanlage wird dabei oft als Bottom ing-System und die sCO2-Anlage als Topping-System bezeichnet. Diese Bezeichnungen werden auch nachfolgend bei der Beschreibung der Erfindung verwendet.
In Yang et al. (2019) wird lediglich eine niedrige Abwärmemenge genutzt, denn die Wärmequelle hat nur eine Temperatur von 140 °C. Zum Betreiben des Austreibers (teilweise auch als Generator bezeichnet) der LiBr/H2O- (Lithiumbromid/Wasser-)Absorptionskälteanlage wird eine externe Temperaturquelle vorgeschlagen. Eine ähnliche Vorgehensweise offenbart Wu et al. (2017), wobei eine NH3/H2O-(Ammoniak-Wasser-)Absorptionskälteanlage eingesetzt wird. Darüber hinaus arbeitet das System in Yang et al. (2019) im subkritischen Bereich des CO2 mit Temperaturen bei <10 °C und Drücken von ca. 4 bar. In CN 112412555 A wird eine sCO2-Zwischenkühlung eingesetzt und die Betriebstemperatur des CO2 ist höher als für den überkritischen Zustand nötig. Kombinierte sCO2/LiBr/H2O-Systeme für Wärmequellen wie Kernreaktoren, Solaranlagen und Verbrennungsmotoren arbeiten bei hohen Temperaturen (über 600 °C), wie auch beispielsweise in der Druckschrift CN 112412555 A beschrieben. Dort wird das Kühlwasser genutzt, um die CO2-Temperatur in der Zwischenkühlung vor der Sekundärverdichtung zu senken. Eine Kontrolle der Temperatur bei unterkritischen Bedingungen vor der Verdichtung ist nicht vorgesehen. Der überkritische Betrieb, d. h. Temperaturen und Drücke, die höher sind als der kritische CO2-Druck, wird betrachtet.
Ma/Liu et al. (2018) sowie Ma/Zhang et al. (2018) offenbaren eine Kombination aus sCO2-Zyklus mit LiBr-Absorptionskälteanlage, wobei lediglich ein Teil des CO2- Massestroms mittels des LiBr-Systems gekühlt wird.
Der sCO2-Kreislauf ist bei allen drei vorbekannten Lösungen als Rekompressionsarchitektur ausgelegt. Die Rekompressionsarchitektur ist eine der häufigsten Konfigurationen des sCO2-Zyklus in Anwendungsstudien zu diesem Zyklus, da sie einen hohen thermischen Wirkungsgrad bietet, der hauptsächlich durch eine hohe Wärmerückgewinnung ermöglicht wird. Diese Eigenschaft ist auf die Verwendung von mindestens zwei Wärmerückgewinnern zurückzuführen: Hochtemperatur(HTR)- und Niedertemperatur(LTR)-Rekuperatoren. Aufgrund des Einsatzes eines Rekompressionssystems und der hohen Leistungsaufnahme des Verdichters ist die spezifische Arbeit dieser Art von Anlagen sehr hoch. Dies bedeutet, dass die Rekompressionsanlage für die Anwendung für Mitteltemperatur-Wärmequellen, wie z. B. die Abwärmenutzung, nicht wirtschaftlich ist.
Die Lösungen von Ma/Liu et al. (2018) sowie Ma/Zhang et al. (2018) sind für Hochtemperatur-Wärmequellen für Anwendungen in konzentrierten Solarsystemen konzipiert. Ein Thermoöl überträgt die Energie der Wärmequelle auf den sCO2- Kreislauf im Hauptheizer. Eine Eignung für die Abwärmerückgewinnung, wobei hauptsächlich Energie aus einem Abgas zurückgewonnen wird, ist nicht ersichtlich. Ma/Zhang et al. (2018) betrachten dabei den überkritischen Betrieb, d. h. Temperaturen und Drücke, die höher sind als der kritische CO2-Druck, während Ma/Liu et al. (2018) ein Verfahren mit niedrigeren Temperaturen vorstellen, und zwar für ein Gemisch aus CO2 und Krypton.
Die Druckschrift CN 112412555 A und auch Ma/Zhang et al. (2018) beschreiben interne Wärmetauscher mit SHX-Ausrüstung (Lösungswärmetauscher), die jeweils in Fig. 1 dargestellt sind. Bei dieser Einrichtung handelt es sich um einen Wärmetauscher zwischen dem Austreiber und dem Absorber des Absorptionskühlsystems. Die Verwendung dieser Ausrüstung ist Standard für das Absorptionssystem, erfordert aber einen zusätzlichen Aufwand.
Die Lösung gemäß Druckschrift CN 109519243 B nutzt eine sCO2-Anlage, kombiniert mit einer NH3/H2O-Absorptionskälteanlage. Dabei treibt supererhitzter Ammoniak eine eigene Turbine an. Es handelt sich beim sCO2-Zyklus um einen einfachen Zyklus. Der NH3/H2O-Dampf wird genutzt als Wärmequelle für einen LiBr-Absorptionskühler.
In der Druckschrift CN 109519243 B wird somit eine Energieanlage auf Basis einer Zusammenschaltung bzw. Kombination zweier Rankine-Kreisprozesse, bestehend aus einem einfachen sCO2-Prozess als Vorschaltprozess (topping cycle oder Topping- Prozess) und einem Ammoniak/Wasser(NH3/H2O)-Dampfkreisprozess als Nachschaltprozess (bottoming cycle oder Bottom ing-Zyklus), beschrieben. Die Abführung der nicht arbeitsfähigen Wärme der beiden thermodynamischen Kreisprozesse erfolgt mittels einer LiBr-Absorptionskälteanlage sowie eines zusätzlichen, separaten CO2-Kühlers. Im sCO2-Prozess stellt sich die Wärmeabfuhr im Einzelnen wie folgt dar:
Nach Austritt aus der Turbine wird die Wärme des sCO2 zunächst im Austreiber (Generator) einer LiBr-Absorptionskälteanlage genutzt. Danach wird das Kohlendioxid in einem separaten CO2-Kühler mit einem nicht genannten externen Kühlmedium und einem nachgeschalteten Kühler, dem evaporation-condenser, weiter bis zur vollständigen Verflüssigung abgekühlt und anschließend der Pumpe zugeführt. Der letztgenannte Kühler bzw. CO2-Kondensator stellt den Verdampfer der LiBr- Absorptionskälteanlage dar. Im sCO2-Prozess erfolgt somit die Wärmeabfuhr mit drei Apparaten.
In der Druckschrift CN 1 09 519 243 B werden keine Angaben zu Zustands- und Prozessgrößen gemacht, sodass die Prozessführung und die stufenweise Wärmeabfuhr thermodynamisch nicht nachvollzogen werden können.
Alle bekannten Systeme mit Absorptionskälteanlage nutzen lediglich einen Teil der primären Heizquelle, in der Regel der zur Nutzung vorgesehenen Abwärme, als treibende Energiequelle für die Absorptionskälteanlage, was im Ergebnis das Potenzial des Topping-Systems, d. h. der sCO2-Energieanlage reduziert. Gotelip et al. (2022) beschreiben den Wärmeaustausch zwischen aus der Turbine austretendem CO2 und zur Turbine hinführendem CO2 in Form einer Vorheizung. Es ist ein Nachteil, dass die Anlage abhängig ist von externen Kühlwässern und deren konstanter Temperatur. Saisonale Schwankungen können nicht ausgeglichen werden.
Bei den meisten bekannten Recompressions-Architekturen werden die CO2-Teilströme kurz vor dem Hochtemperatur-Rekuperator zusammengeführt. Daher sind in einer solchen Anlage (HTR) die Massenströme beider Ströme (heiße Seite und kalte Seite) gleich groß.
Bei allen bekannten Anlagen ist es schwierig, die Kühlleistung so konstant und effektiv zu betreiben, dass ganzjährig im subkritischen Bereich (nach Expansion des Arbeitsmediums in der Turbine) gearbeitet und somit eine hoher Prozesswirkungsgrad sichergestellt werden kann.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine Anordnung und ein Verfahren zur Umwandlung von Abwärme in mechanische Energie unter Einsatz von Kohlendioxid (CO2) im überkritischen Zustand (sCO2) bereitzustellen sowie ein Verfahren zu deren Betrieb und eine Verwendung einer Absorptionskälteanlage anzubieten, bei denen die Nachteile des Standes der Technik überwunden werden und eine konstante Kühlleistung einer CO2-Energieanlage kombiniert mit möglichst hoher Effizienz bzw. Nutzleistung bei der Umwandlung von Abwärme in Bewegungsenergie bewirkt wird. Die Anlage soll möglichst einfach aufgebaut sein und mit möglichst wenigen Bauteilen auskommen, dabei sollen diese möglichst robust und weniger störanfällig sein und zugleich unabhängig von tageszeitlichen und saisonalen Schwankungen der Umgebungstemperatur arbeiten können. Es soll zudem ein robustes System auch für Off-Design-Bedingungen, also unter Bedingungen, die von denen abweichen, für die die Anlage entworfen wurde, bereitgestellt werden.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch die Gegenstände der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben. Gegenstand der Erfindung ist eine Anordnung zur Umwandlung von Abwärme in mechanische Energie, insbesondere Bewegungsenergie, eine Energieanlage, bei der CO2 im seinem Zustand als sCO2 zur Umwandlung von Abwärme in mechanische Energie eingesetzt wird, umfassend a) eine Pumpenanordnung zur Druckerhöhung und zum Weitertransport des CO2 unter transkritischen Bedingungen aus einer Leitung, wobei das CO2 am Einlass der Pumpenanordnung einen Druck oberhalb des kritischen CO2-Drucks und eine Temperatur unterhalb der kritischen CO2-Temperatur aufweist, b) wenigstens zwei Wärmeübertrager, ein Vorheizgerät und ein Hauptheizgerät zur Übertragung von Abwärme aus einem Abwärmestrom in einer Leitung auf das CO2 als Trägermedium und Arbeitsmedium, so dass das CO2 im überkritischen Zustand als sCO2 vorliegen kann, c) eine Kraftmaschine zur Generierung von mechanischer Energie mittels des sCO2, und d) eine Absorptionskälteanlage zur geregelten Kühlung des aus der Kraftmaschine austretenden CO2, dem danach im Rekuperator bereits Wärme entzogen wurde, umfassend einen Austreiber und einen Verdampfer, in denen dem CO2 in zwei Stufen Wärme entzogen wird, indem eine Leitung umfasst ist, die vom Rekuperator zum Austreiber führt und weiterhin eine Leitung umfasst ist, die vom Austreiber zum Verdampfer führt.
Der Einsatz des Kühlsystems mit den Hauptkomponenten Austreiber, Kondensator, Verdampfer, Absorber dient in erster Linie dazu, Wärme aus den beiden Strömen abzuführen, die die Absorptionskälteanlage passieren. Der erste Strom ist nach einer bevorzugten Ausführung die Wärmequelle im Austreiber zur Verdampfung von Wasser aus dem Gemisch von Wasser (Kältemittel) und Lithiumbromid (Absorptionsmittel), das durch den Strom dargestellt wird. Der Strom nach dem Rekuperator ist somit der Hauptantrieb für den Austreiber. Der Strom vom Kondensator zum Verdampfer mit einer Temperatur von 15 °C ist das Kühlmedium für die zweite Stufe der Wärmeabfuhr aus dem CO2-Strom im Verdampfer. Der Verdampfer ist in diesem Fall der Hauptkühler des sCO2-Kreislaufs.
Nach der Erfindung ist zwischen der Kraftmaschine (bzw. insbesondere der Turbine) und dem Austreiber ein Rekuperator, ein Wärmeübertrager, angeordnet. Der Rekuperator als ein spezieller Wärmeübertrager dient zum Wärmetransfer von dem aus der Kraftmaschine austretenden CO2 zum zur Kraftmaschine hinführenden sCO2. Das heißt, eine Leitung führt von der Kraftmaschine zu diesem Rekuperator, von dort zum Austreiber und vom Austreiber weiter zu einem Verdampfer (auch Evaporator genannt), von dem die Leitung zur Pumpenanordnung verläuft. Als Pumpenanordnung kommt beispielsweise eine Pumpe oder ein Kompressor bzw. Verdichter zum Einsatz. Weiterhin ist in Pumprichtung unmittelbar nach dem Ausgang der Pumpe, somit zwischen der Pumpenanordnung, dem Rekuperator sowie dem Vorheizer, ein Flussteiler zum Teilen des CO2-Stroms in einen ersten Teilstrom zum Rekuperator und einen zweiten Teilstrom zur Übertragung von Abwärme mittels des ersten Wärmeübertragers, der Vorheizers, angeordnet. Es handelt sich bei der erfindungsgemäßen Anordnung um eine thermoökonomisch optimierte SH-(Sequential Heating-)Architektur.
Von der vorliegenden Erfindung ist auch umfasst, dass die Leitung auf ihrem Verlauf zu weiteren, zusätzlichen Bauteilen führen kann. Austreiber und Verdampfer sind damit Kühler für einen Topping-Prozess, wobei der Verdampfer bekanntermaßen das Kühlmittel der Absorptionskälteanlage verdampft. Nach der Erfindung dient der Verdampfer hierbei als Kondensator für das aus der Turbine austretende CO2, sodass dieses danach als subkritisches CO2, bevorzugt mit einer Temperatur von 20 ± 5 °C, insbesondere 20 ± 2 °C, vorliegt. Dieser Temperaturbereich stellt einen zentralen Bestandteil der Erfindung dar.
Es hat sich als vorteilhaft erwiesen, wenn das CO2 durch die Pumpenanordnung unter transkritischen Bedingungen transportiert wird bzw. in diese eintritt. Dabei weist das CO2 am Einlass der Pumpenanordnung einen Druck oberhalb des kritischen CO2- Drucks und eine Temperatur unterhalb der kritischen CO2-Temperatur auf. Vorzugsweise weist das CO2 unter transkritischen Bedingungen einen Druck über dem kritischen Druck, mindestens jedoch 75 bar, und eine Temperatur zwischen 20 °C und 28 °C auf.
Vorteile ergeben sich weiterhin aus einer Ausführungsform, bei der der Flussteiler so ausgeführt oder eingestellt ist, dass ein Massendurchflussverhältnis von 55 bis 65 % für den ersten Teilstrom von CO2 unter Hochdruck in der ersten Leitung im Verhältnis zu dem Teilstrom in der zweiten Leitung, die beide zum Rekuperator führen, zu gewährleisten. Die erste Leitung führt dabei direkt vom Flussteiler zum Rekuperator, die zweite Leitung hingegen führt von der Kraftmaschine bzw. Turbine zum Rekuperator, damit das dort strömende CO2 die Restwärme von der Kraftmaschine an den ersten Teilstrom abgeben kann.
Die Aufteilung in Teilströme stellt ein wichtiges Merkmal der Vorwärmarchitektur dar.
Bei der Vorwärmarchitektur wird der CO2-Massenstrom durch den Flussteiler nach dem Hauptverdichter in zwei Ströme aufgeteilt. Somit wird im Gegensatz zum Stand der Technik der gesamte CO2-Massenstrom im Kreislauf zur Wärmeabfuhr und danach zum Hauptverdichter geleitet. Bei der vorbekannten Rekompressionsarchitektur hingegen wird nur ein Teil des Gesamtmassenstroms zur Wärmeabfuhr und dann zur Hauptverdichtung geleitet und nur dieser Teil des Massenstroms in der Absorptionsanlage verwendet.
Bei der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Architektur ist ein Nachverdichter nicht erforderlich, was eine Vereinfachung des Systems und eine bessere wirtschaftliche Leistung ermöglicht. Die Aufteilung des CO2-Stroms erfolgt bei den vorbekannten Lösungen nach dem Niedertemperatur-Rekuperator als Hauptmerkmal der Rekompressionsarchitekturen. Bei einer solchen Anordnung wird also nur ein Teil des CO2-Massenstroms in die Absorptionskältemaschine geleitet, während der Rest in den Rückverdichter gelangt. Im Gegensatz zum Stand der Technik wird bei der vorliegenden Anmeldung der gesamte in der Kraftmaschine, insbesondere der Turbine, expandierte Massenstrom zum Rekuperator und nachfolgend vollständig zum Austreiber der Absorptionskältemaschine geleitet.
Beim Stand der Technik übernimmt regelmäßig der Vorkühler die Wärmeabfuhr, wobei ein Teil der Wärme auch durch die Zufuhr von Energie zur Absorptionskältemaschine abgeführt wird. Daher unterscheidet sich die vorbekannte Anwendung hinsichtlich des Kühlwasserverbrauchs und der Temperaturniveaus. In der vorgeschlagenen Lösung führt die Absorptionskältemaschine die Wärme des CO2 stattdessen direkt an den Verdampfer ab und hält die CO2-Temperatur am Pumpen- bzw. Verdichtereinlass wie angegeben unter der kritischen CO2-Temperatur.
Nach einer bevorzugten Ausführungsform werden CO2 unter Hochdruck in einem ersten Teilstrom vom Rekuperator, CO2 unter Hochdruck in einem weiteren Teilstrom, der vom Vorheizer herangeführt wird, durch einen Mischer in eine Leitung, die zum Hauptheizer verläuft, zusammengeführt. Die so geschaffene Vorwärmarchitektur ermöglicht eine bessere Nutzung der Wärmequelle, indem Wärme auf zwei Temperaturniveaus zurückgewonnen wird, wobei der Hauptheizer bei höheren Temperaturen als Wärmetauscher dient. Auf diese Weise ermöglicht der Vorwärmer die Rückgewinnung zusätzlicher Wärme aus der Wärmequelle nach dem Hauptheizer. Dadurch entsteht ein zusätzlicher Massenstrom, der eine höhere Leistung der Kraftmaschine (bzw. Stromerzeugung durch einen angeschlossenen Generator) und einen effizienteren Zyklus ermöglicht.
Die Leitung von der Kraftmaschine führt über den Rekuperator weiter zur Absorptionskälteanlage. Es hat sich als vorteilhaft erwiesen, wenn eine Leitung zwischen Austreiber und Verdampfer der Absorptionskälteanlage an einem Sub-Kühler vorbeiführt, wodurch eine weitere Abkühlung des CO2 erfolgt und die Kühlleistung am Verdampfer erhöht wird.
Eine besonders vorteilhafte Ausführungsform der Absorptionskälteanlage stellt eine LiBr/H2O-Absorptionskälteanlage dar. Das Li Br-Absorptionssystem arbeitet im Allgemeinen mit einer Temperatur der Wärmequelle von über 75 °C an der Kraftmaschine. Daher bietet das Absorptionssystem mit LiBr eine bessere Betriebscharakteristik für das vorgeschlagene System. Andererseits erfordern beispielsweise Absorptionssysteme auf der Basis von Ammoniak/Wasser eine Wärmequelle mit Temperaturen über 100 °C, was einen Leistungsverlust für das Topping-System (sCO2) bedeuten würde.
Eine bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anordnung umfasst einen Generator zur Gewinnung von Strom, mechanisch verbunden mit der als Turbine ausgeführten Kraftmaschine.
Gegenstand der Erfindung ist ebenfalls ein Verfahren zur Umwandlung von Abwärme in mechanische Energie, insbesondere Bewegungsenergie, umfassend die Schritte: a) Druckerhöhung von CO2 und Transport durch eine Leitung mittels einer Pumpenanordnung, wobei das CO2 am Einlass der Pumpenanordnung (1) einen Druck oberhalb des kritischen CO2-Drucks und eine Temperatur unterhalb der kritischen CO2- Temperatur aufweist, b) Übertragung von Abwärme aus einem Abwärmestrom auf CO2 als Trägermedium und Arbeitsmedium sequenziell in mindestens zwei Stufen, so dass das CO2 nach der Verdichtung im überkritischen Zustand als sCO2 vorliegt, c) Generierung von mechanischer Energie aus dem sCO2 mittels einer Kraftmaschine.
Nach der Erfindung erfolgen als Verfahrensschritt d), e) und f): d) mittels eines zwischen Kraftmaschine und Austreiber angeordneten Rekuperators ein Wärmetransfer von dem aus der Kraftmaschine durch die Leitung austretenden CO2 hin zu dem sCO2 in einer zur Kraftmaschine hinführenden Leitung stattfindet, und dass das CO2 nach dem Transport durch die Pumpenanordnung in Schritt a) durch einen Flussteiler geteilt wird, wobei ein erster Teilstrom durch die Leitung zu dem Rekuperator in geleitet wird, und ein zweiter Teilstrom durch eine Leitung zur Übertragung von Abwärme in Schritt b) geleitet wird, e) geregelte Kühlung des aus der Kraftmaschine austretenden CO2 mittels einer Absorptionskälteanlage, umfassend einen Austreiber und einen Verdampfer, wobei das aus der Kraftmaschine über eine Leitung austretende CO2 zuerst mittels des Austreibers und danach mittels des Verdampfers der Absorptionskälteanlage gekühlt wird, f) die Absorptionskälteanlage die Temperatur am Einlass der Pumpenanordnung konstant unter der kritischen Temperatur hält, ein Wärmetransfer von dem aus der Kraftmaschine bzw. Turbine austretenden CO2 hin zum zur Turbine hinführenden sCO2 in Fließrichtung des CO2 vor Schritt d) mittels eines zwischen Turbine und Austreiber angeordneten Rekuperators.
Auf die zuvor bezeichneten Verfahrensschritte a) bis f) wird in den nachfolgenden Ausführungen Bezug genommen. Das CO2 wird nach dem Transport durch die Pumpenanordnung in Verfahrensschritt a) durch einen Flussteiler geteilt, wobei ein erster Teil (als zur Kraftmaschine hinführendes sCO2) zum Rekuperator (in Schritt e) geleitet wird und ein zweiter Teil zur Übertragung von Abwärme in Verfahrensschritt b) (d. h. zum Wärmeübertrager in Absatz b) der Energieanlage) geleitet wird. Die Übertragung von Abwärme in Verfahrensschritt b) erfolgt sinnvollerweise mittels mindestens eines Wärmeübertragers.
Erfindungsgemäß wird der Strom des CO2 nach Kühlung am Austreiber und Verdampfer und unmittelbar nach dem Ausgang der Pumpe durch den Flussteiler, der zwischen Pumpe, Rekuperator und dem Vorheizer angeordnet ist, gesplittet, wobei ein erster Teil zum Rekuperator (in Schritt e) des Verfahrens bzw. Absatz e) der Energieanlage) geleitet, und ein anderer, zweiter Teil zum erfindungsgemäßen Wärmeübertrager in Schritt b) des Verfahrens bzw. Absatz b) der Energieanlage geleitet wird. Es führen also sinnvollerweise Leitungen von dem Flussteiler zum Rekuperator und vom Flussteiler zum Wärmeübertrager (aus Absatz b) der Beschreibung der Bestandteile Energieanlage). Der Betrieb des Rekuperators mit zwei Massendurchsätzen ermöglicht eine bessere thermodynamische Leistung der Anlage. Der Massendurchsatz, der direkt vom Flussteiler kommt, entspricht 55 bis 65 % des Massendurchsatzes, der von der Kraftmaschine bzw. Turbine kommt. Das bedeutet, dass dieses Verhältnis der Massenströme einen größeren Wärmeübergang zwischen dem Niederdruck- und Hochtemperaturstrom, der vom Verdichter kommt, und dem Hochdruck- und Niedertemperaturstrom, der direkt vom Flussteiler kommt, ermöglicht. Die geringere Irreversibilität hat zur Folge, dass der Rekuperator eine bessere thermodynamische Leistung aufweist.
Vorzugsweise wird das CO2 in Verfahrensschritt a), der Druckerhöhung und dem Transport mittels der Pumpenanordnung, unter transkritischen Bedingungen zum Einlass der Pumpenanordnung transportiert. Dabei weist das CO2 am Einlass der Pumpenanordnung einen Druck oberhalb des kritischen CO2-Drucks und eine Temperatur unterhalb der kritischen CO2-Temperatur auf. Besonders bevorzugt weist dabei das CO2 unter transkritischen Bedingungen einen Druck über dem kritischen Druck, mindestens jedoch 75 bar, und eine Temperatur zwischen 20 °C und 28 °C auf.
Es hat sich als vorteilhaft erwiesen, wenn in einem Mischer ein erster Teilstrom von CO2 unter Hochdruck, vom Rekuperator kommend, ein zweiter Teilstrom von CO2 unter Hochdruck, vom Vorheizer kommend, zu einem Strom von CO2 unter Hochdruck gemischt wird, der dann zum Hauptheizer geführt wird.
Weitere Vorteile haben sich gezeigt, wenn die Temperatur des zweiten Teilstroms am Ausgang des Vorheizers von der Temperatur des erstes Teilstroms am Ausgang des Rekuperators um nicht mehr als ± 10 K abweicht. Dies ermöglicht eine homogenere Verteilung der Strömung.
Das Ungleichgewicht der Wärmekapazität am (Niedertemperatur-) Rekuperator ist ein gemeinsames Merkmal des sCO2-Betriebs. Die höhere Wärmekapazität auf der kalten Seite des Rekuperators schränkt die Wärmeübertragung ein und begrenzt die Effektivität der Anlage, indem sie die Stromaustrittstemperatur verringert. Die Vorwärmarchitektur bietet eine Alternative zur Überwindung dieser Einschränkung, indem unterschiedliche Massenströme zwischen den beiden Strömen, die den Rekuperator passieren, eingesetzt werden. Eine multikriterielle Optimierung des vorgeschlagenen Systems hat überraschend gezeigt, dass ein Massenstromverhältnis von 55 bis 65 % für einen ersten CO2- Teilstrom unter hohem Druck in der Leitung vom Strömungsteiler zum Rekuperator im Verhältnis zu einem zweiten Strom in der Leitung von der Antriebsmaschine zum Rekuperator eine Steigerung der thermischen Leistung des Rekuperators ermöglicht und den besten thermo-ökonomischen Kompromiss für den sCO2-Kreislauf für Anwendungen zur Abwärmerückgewinnung bietet.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens erfolgt die Vereinigung beider CO2-Teilströme, die durch den Flussteiler zuvor geteilt wurden, in dem Mischer. Dabei wird der erste Teilstrom, nachdem er den Rekuperator passiert hat und dort der Wärmetransfer von dem aus der Kraftmaschine austretenden CO2 hin zu dem sCO2 in einer zur Kraftmaschine hinführenden Leitung gemäß dem zuvor erläuterten Schritt e) erfolgt ist, mit dem zweiten Teilstrom des CO2-Stroms vereint. Der zweite Teilstrom hatte zuvor den Vorheizer passiert und Wärme aus dem bereits im Hauptheizer abgekühlten Abwärmestrom aufgenommen. Nachfolgend können die vereinigten CO2- Teilströme zusammen im zuvor erläuterten Schritt b) im Hauptheizer die Abwärme auf höherem Temperaturniveau aufnehmen.
Es hat sich ebenfalls als vorteilhaft erwiesen, wenn das CO2 vor Eintritt in die Pumpenanordnung eine Temperatur zwischen 20 und 28 °C aufweist und das CO2 dort im transkritischen Zustand vorliegt. Der transkritische Zustand bedeutet, dass die minimale Betriebstemperatur niedriger als die kritische CO2-Temperatur (Tc=30,9 °C) und der minimale Betriebsdruck höher als der kritische Druck (Pc=73,8 bar) ist. Auf diese Weise kommt es zu keiner Kondensation von CO2.
Die CO2-Eigenschaften bei unterkritischer Temperatur ermöglichen eine bessere thermodynamische Leistung des sCO2-Kreislaufs. Insbesondere ermöglicht die hohe spezifische Dichte von CO2 unter diesen Betriebsbedingungen eine erhebliche Verringerung der Kompressionsarbeit, was zu einer höheren Nettoleistung des Zyklus führt. Dies ist also eine sehr erwünschte Eigenschaft, um mehr potenzielle Anwendungen der Technologie zu ermöglichen, insbesondere bei Anwendungen im Zusammenhang mit Wärmequellen mittlerer Temperatur. Weitere Vorteile haben sich daraus ergeben, dass in Schritt b) die Abwärme von einem Medium übertragen wird, das maximal eine Temperatur von 450 °C aufweist. Höhere Temperaturen können auch auf andere Weise nutzbar gemacht werden, während sich die Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens gerade dann verwirklichen, wenn die Abwärme eine Temperatur von nicht mehr als 450 °C aufweist.
Es hat sich darüber hinaus gezeigt, dass sich mit bestimmten Verfahrensparametern eine besonders hohe Effizienz erreichen lässt. So soll in Schritt f) die Temperatur des aus der Kraftmaschine bzw. Turbine austretenden CO2 vorzugsweise bei 240 ± 20 °C und nach dem Wärmetransfer in Schritt e) bei 75 ± 10 °C liegen. Weiterhin beträgt in Schritt d) die Temperatur des zu kühlenden CO2 am Eintritt des Austreibers vorzugsweise 75 ± 10 °C. Wie bereits zuvor erwähnt, gleicht ein Betrieb mit unterschiedlichen Massenstromniveaus in den einzelnen Strömen des Rekuperators das Ungleichgewicht der CO2-Eigenschaften in der Anlage aus und ermöglicht einen besseren Betrieb.
Bei Systemen nach dem Stand der Technik, die unter transkritischen Bedingungen arbeiten, führt hingegen die Nichtlinearität der CO2-Eigenschaften in der Nähe des kritischen Punktes zu einer geringeren Temperaturdifferenz innerhalb des Rekuperators. Dies führt zur Notwendigkeit einer erheblichen Vergrößerung der Wärmetauscherfläche und damit zu einem Anstieg der Anlagenkosten. Dies wird durch die Erfindung vermieden.
Daher hat sich überraschend gezeigt, dass die Rekuperator-Austrittstemperatur von 75 ± 10 °C einen besseren thermo-ökonomischen Kompromiss für die Systemanwendung ermöglicht. Darüber hinaus ermöglicht der CO2-Strom in diesem Temperaturbereich am Generatoreintritt einen reibungslosen Betrieb der Anlage als Antriebswärmequelle für das Absorptionskühlsystem.
Die erfindungsgemäße Aufgabe wird somit durch eine kombinierte Systemkonfiguration gelöst, bei der das für die Abwärmenutzung mit einer maximalen Prozesstemperatur von rund 450 °C optimierte SH-(Sequential Heating-)sCO2-System als Topping-System mit einer H2O/LiBr-Absorptionskälteanlage als Bottom ing-System so kombiniert wird, dass das Bottom ing-System die Steuerung für die Wärmeabfuhr vornimmt bzw. den Controller ausbildet. Vorzugsweise liegt die Prozesstemperatur zwischen 350 und 400 °C. Insbesondere wird durch die Erfindung eine konstante subkritische Eintrittstemperatur (z. B. 20 °C) in die Pumpenanordnung, z. B. den Verdichter oder die Pumpe, erreicht. Dadurch wird eine effiziente Nutzung von Wärme bereits in einem mittleren Temperaturbereich zwischen 350 bis 400 °C, die z. B. in Form von Abwärme aus einem technischen Prozess vorliegt, erreicht. Dies erfolgt erfindungsgemäß mittels eines rekuperierten, transkritischen sCO2-Prozesses, d. h. eines Prozesses mit unterkritischer Eintrittstemperatur in die Druckerhöhung von z. B. 20 °C bei überkritischem Druck, z. B. 75 bar. Dies ist bei einem herkömmlichen sCO2 recompression cycle in dieser Weise nicht möglich bzw. nicht realisiert und stellt einen wesentlichen Unterschied der Erfindung zum Stand der Technik dar.
Die Erfindung betrifft demnach rekuperierte, transkritische sCO2-Prozessarchitekturen, die z. B. bei Wärmequellen im Temperaturbereich von 350 bis 400 °C angewendet werden, z. B. zur Abwärmenutzung von Gasturbinen, Motoren oder industriellen Prozessen. Die Performance dieser transkritischen sCO2-Prozessarchitekturen hängt sehr stark von der Rückkühlung ab. In der erfindungsgemäßen Lösung erfolgt die Abfuhr der nicht arbeitsfähigen Wärme aus dem sCO2-Prozess so, dass unabhängig von saisonalen und tageszeitlichen Temperaturschwankungen die Eintrittstemperatur in die Pumpenanordnung konstant gehalten wird, z. B. bei 20 °C, und somit die genannten Performanceschwankungen im Betrieb kompensiert werden.
Die auf dieser Basis vorgeschlagene Anordnung und das vorgeschlagene Verfahren zeichnen sich daher im Kern aus durch: die Kombination eines rekuperierten, transkritischen sCO2-Vorschalt- oder -Topping-Prozesses (mit dem zugehörigen Topping-System) mit einem Absorptionskälteprozess (vorzugsweise ein H2O/LiBr-Absorptionskälteprozess) als Nachschalt- oder Bottom ing-Prozess (mit dem zugehörigen Bottoming- System); die Wärmeabfuhr aus dem sCO2-Prozess durch sequentielle Abkühlung im Austreiber und Verdampfer des Bottoming-Prozesses; die Prozessarchitektur ohne zusätzlichen Vorkühler und Kältekreislauf, bei der die Wärmeabfuhr im gesamten Betriebsbereich ausschließlich durch den Bottoming-Prozess geregelt wird, sodass der Bottoming-Prozess als Controller für die Wärmeabfuhr dient; Es hat sich überraschend gezeigt, dass mit der erfindungsgemäßen Lösung das Erreichen einer konstanten subkritischen Eintrittstemperatur in die Pumpenanordnung unter Beibehaltung der für die technische Anwendung thermo-ökonomisch optimierten Cycle-Architektur und mit minimalem apparatetechnischen Aufwand erreicht wird.
Gegenstand der Erfindung ist insbesondere auch die Verwendung der erfindungsgemäßen Energieanlage im erfindungsgemäßen Verfahren. Darüber hinaus ist Gegenstand der Erfindung die Verwendung einer Absorptionskälteanlage als Temperaturregler. Die Absorptionskälteanlage umfasst einen Austreiber und einen Verdampfer, in Zusammenwirken mit einem Rekuperator, der dem Wärmetransfer zwischen zwei CO2-Strömen dieser Energieanlage dient. Die Absorptionskälteanlage dient als Temperaturregler für die Wärmeabfuhr aus dem CO2-System einer Energieanlage. Denn die Kombination von Austreiber und Verdampfer, die Teile der Absorptionskälteanlage sind, mit dem Rekuperator ermöglicht, je nach Massestrom bzw. Fließgeschwindigkeit der Ströme, die konstante Einstellung einer Kühlleistung der Energieanlage - unabhängig von einer externen Kühlung, z. B. mittels Kühlwasser, und deren Temperatur. Dies hat den Vorteil, dass die Energieanlage saisonal unabhängig betrieben werden kann.
Insbesondere ist die Verwendung eines Absorptionskühlsystems als Bottom ing-System eines sCO2-Kreislaufs vorgesehen, das als Kühler für das Topping-System dient. Der erste CO2-Strom, der den Rekuperator verlässt, ist die ausschließliche Wärmequelle für den Antrieb des Austreibers, der das Wasser (Kältemittel) aus dem Gemisch mit Lithiumbromid (Absorptionsmittel) verdampft und die Wärme aus dem CO2-Strom abführt. Der Dampf wird in den Kondensator geleitet und der Strom mit Temperaturen im Bereich von 15 °C ± 5 °C ist das Kühlmedium im Verdampfer, der die Wärme aus dem zweiten CO2-Strom abführt, der den Austreiber verlässt. Der Verdampfer regelt die Temperatur des CO2-Stroms am Einlass der Pumpenanordnung, unabhängig von den saisonalen Schwankungen der Umgebungstemperatur, auf unterkritische Temperaturbedingungen von 20 bis 28 °C. Auf diese Weise ist der Verdampfer der Hauptkühler des Topping-Systems.
Das Absorptionskühlsystem arbeitet ohne einen Lösungswärmetauscher, der durch die Erfindung entbehrlich wird und wodurch die Wärmeabfuhr im Austreiber erhöht wird. Beide Absorptionskühlsysteme sind parallel angeordnet, um dem ersten CO2-Strom Wärme zu entziehen, was eine ausreichende Kühlleistung im Verdampfer ermöglicht. Dadurch wird das Absorptionskühlsystem effizienter und kann besser das Topping- System bzw. den Topping-Prozess steuern.
Ausführungen zu den Schritten des erfindungsgemäßen Verfahrens a) bis f) in Anspruch 9 und der Beschreibung des Verfahrens gelten in gleicher Weise für die Bauteile der Energieanlage gemäß den Absätzen a) bis f) von Anspruch 1 und der Beschreibung der Energieanlage, soweit nicht jeweils gesondert ausgeführt. Dies gilt gleichermaßen auch umgekehrt.
Bei der genutzten Abwärme handelt es sich beispielsweise um Abwärme eines Abgases, beispielsweise eines Industrieabgases, das bei einem industriellen Prozess anfällt. Die Arbeitsweise der Absorptionskälteanlage ist in den Ausführungsbeispielen ausführlicher anhand der Zeichnungen erläutert.
Erfindungsgemäß ist auch umfasst, dass das CO2 im gesamten System der Energieanlage bzw. über den gesamten Verfahrensablauf den überkritischen Zustand als sCO2 beibehält, d. h. dass beispielsweise das sCO2 vor der Pumpenanordnung noch eine Temperatur von 35 °C aufweist und damit im überkritischen Zustand unter einem entsprechenden Druck vorliegt. Die Erfindung sieht den Einsatz von sCO2 als Trägermedium für die Energie der Abwärme und als Arbeitsmedium in der Energieanlage vor, wobei die Wärmeenergie mit dem CO2 als Arbeitsmedium in einem Wärmekraftprozess in mechanische und insbesondere in Bewegungsenergie umgewandelt werden soll, vorzugsweise mit nachfolgender Erzeugung von Elektroenergie.
Nach der Erfindung wird das CO2-System der Energieanlage auch zum Betrieb des Austreibers (auch als Generator bezeichnet) der Absorptionskälteanlage genutzt. Dazu wird das CO2, welches aus der Kraftmaschine bzw. beispielsweise der Turbine austritt mittels der Absorptionskälteanlage sequenziell durch den Austreiber und den Verdampfer gekühlt. Mittels Schritt e) des Verfahrens bzw. des Rekuperators gemäß Absatz e) der Beschreibung der erfindungsgemäßen Energieanlage findet noch davor eine Vorkühlung des aus der Turbine austretenden CO2 statt, wobei im Gegenzug das CO2, das zu der Kraftmaschine bzw. beispielsweise der Turbine hin geführt wird, vorgeheizt wird. Dieser Rekuperator, der auch Regenerator bzw. interner Rekuperator genannt wird, ist ein Wärmeübertrager, bevorzugt ein Hochtemperatur-Rekuperator. Der Rekuperator ist nötig, um den Massestrom im CO2-Kreislauf erhöhen zu können. Ohne den Rekuperator wäre die niedrige Temperatur der Abwärme mancher Industrieabgase ein Hindernis für eine effiziente Umwandlung in mechanische Energie bzw. insbesondere Bewegungsenergie. Denn es ist ein wesentlicher Vorteil der Erfindung, dass mit ihr auch Wärmeträgermedien, mit denen die Abwärme bei geringer Temperatur, nämlich einer Maximaltemperatur von 450 °C, ausgetragen wird, genutzt und mit hoher Effizienz in mechanische Energie bzw. insbesondere Bewegungsenergie umgewandelt werden können. Vorzugsweise liegt die Prozesstemperatur zwischen 350 und 400 °C.
In der Erfindung profitiert der Zyklus der Absorptionskälteanlage von der Abwärme, die das CO2 nach dem Rekuperator aus Schritt d) des Verfahrens bzw. Absatz d) der Beschreibung der Energieanlage trägt, denn sie ist die Energiequelle, die nötig ist, um die Absorptionskälteanlage zu betreiben.
Bekanntermaßen wird bei Absorptionsanlagen, wie beispielsweise einer LiBr/H2O- Anlage, eine Energiequelle im Austreiber benötigt, um das Wasser aus dem Wasser- LiBr-Gemisch (Mischung aus Kältemittel und Salzlösung der Absorptionskälteanlage) zu verdampfen. Im Anschluss wird dieser Kältemitteldampf im Kondensator kondensiert, entspannt (bevorzugt mittels eines Expansionsventils) und in der flüssigen Phase bei niedriger Temperatur in den Verdampfer geleitet, wobei das Kühlmittel Wasser verdampft. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wird zur Kühlung des CO2- Massenstroms, der einen Teilstrom des aus der Kraftmaschine bzw. der Turbine austretenden CO2 darstellt, genutzt. Am Kondensator der Absorptionskälteanlage findet eine Kühlung mit Kühlwasser statt, wobei die Temperatur dieses Kühlwassers nur einen geringen bis gar keinen Einfluss auf den stabilen Betrieb der Energieanlage hat.
Es sei darauf hingewiesen, dass herkömmliche Absorptionssysteme (wie beispielsweise LiBr/H2O-Absorptionssysteme) in der Regel eine interne Wärmerückgewinnungsvorrichtung (SHX-Ausrüstung) enthalten, um die Effizienz des Absorptionssystems zu erhöhen.
Mit der vorliegenden Erfindung wird jedoch ein vereinfachtes Absorptionssystem offenbart, bei dem die interne Wärmerückgewinnung, die innerhalb der Absorptionskälteanlage mittels eines internen Rekuperators erfolgt, entfallen kann. Vorteil ist, dass damit die Kosten der Energieanlage gesenkt werden können und eine höhere Wärmeabfuhr aus dem sCO2-System ermöglicht wird. Die Absorptionskälteanlage liefert schließlich das Kühlmittel, um den Topping-Prozess auf einer optimalen Temperatur zu halten. Dies erhöht die Leistung der erfindungsgemäßen Energieanlage nennenswert.
Vorteilhafterweise ist damit für die Kühlung des CO2 kein üblicherweise eingesetztes Kühlwasser nötig, welches externen, saisonalen Schwankungen unterliegen kann und die gesamte Anlage inklusive Wirkungsgrad anpassungsbedürftig machen würde. Die Kühlung des CO2 ist so effektiv und gleichbleibend möglich, dass konstant und über saisonale Schwankungen (wie beispielsweise bei Kühlwasser der Fall) hinweg der subkritische Bereich bei ca. 20 ± 5 °C des CO2 vor der Pumpenanordnung erreicht werden kann und der Betrieb vor allem stabil und gleichbleibend ist. Die Nutzleistung des sCO2-Prozesses zur Abwärmenutzung ist kaum verringert, trotz saisonbedingter Erhöhung der Außentemperaturen.
Durch diese Konstanz verfügt die erfindungsgemäße Konfiguration auch bei Off- Design-Bedingungen über hohe thermoökonomische Performance. Es kommt darüber hinaus nicht zum Auftreten von lokalen Zweiphasenströmungen am Eintritt in die Pumpenanordnung. Denn das hätte negative Auswirkungen auf die Stabilität des Verfahrens und die Lebensdauer der Energieanlage. Es findet dadurch eine geregelte Kühlung statt. Austreiber und Verdampfer der Absorptionskälteanlage dienen als Temperaturregler für die Wärmeabfuhr. Die Temperaturregelung erfolgt bevorzugt sinnvollerweise über eine Änderung der Masseströme.
Die Erfindung stellt durch die allgemeine Anordnung von Kraftmaschine bzw. Turbine, Pumpen, Kompressoren bzw. Verdichter, Rekuperatoren und externen Wärmeübertragern des sCO2-Kreislaufs eine "Kreislaufarchitektur" dar und erreicht eine Stabilisierung des Betriebsverhaltens der erfindungsgemäßen Anordnung. Der Verdampfer der Absorptionskälteanlage arbeitet als Kühler der Energieanlage (d. h. des Topping-Systems), so dass aus dem dort vorliegenden CO2-Strom Wärme auf CO2-Ströme mit niedrigerer Temperatur übertragen wird.
Vorteilhafterweise arbeitet die erfindungsgemäße Anordnung mit höheren, überkritischen Drücken, so dass das CO2 unmittelbar vor der Kraftmaschine, beispielsweise der Turbine, im überkritischen Bereich vorliegt, was die Effizienz am Generator erhöht. Vorteilhaft ist außerdem, dass auf interne Rekuperatoren der Absorptionskälteanlage verzichtet werden kann. Die Erfindung kommt daher auch mit weniger Bauteilen aus.
Die Erfindung ist deshalb einfach zu realisieren, verringert die Anzahl von Bauteilen in der Anlage und schließlich ist die nutzbringende Aufnahme und Wandlung der Abwärme verbessert. Eine externe Wärmequelle für die Absorptionsanlage ist nicht mehr nötig. Auch auf einen Vorkühler für das aus der Turbine austretende, heiße CO2 mit eigenem Kühlkreislauf kann verzichtet werden. Die Kühlung des sCO2 erfolgt ausschließlich durch die Absorptionskälteanlage, wobei mittels des Schrittes d) des Verfahrens bzw. dem Rekuperator in Absatz d) gemäß Anspruch 1, gerichtet auf die Anordnung zur Umwandlung von Abwärme in mechanische bzw. Bewegungsenergie, bzw. der Beschreibung der erfindungsgemäßen Anordnung das heiße CO2 vorgekühlt wird. Die Erfindung wird durch die folgenden bevorzugten Ausführungsformen charakterisiert, ohne auf diese beschränkt zu sein.
Eine Ausführungsform der Erfindung, bei der die Energieanlage mindestens zwei Wärmeübertrager zur sequenziellen Übertragung von Abwärme auf CO2 als Träger- und Arbeitsmedium umfasst, hat sich als vorteilhaft erwiesen. Das heißt, in Schritt b) des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die Abwärme auf das CO2 als Trägermedium sequenziell in mindestens zwei Stufen übertragen. In einer bevorzugten Ausführungsform wird der eine, erste Teilstrom des CO2-Stroms nach dem Rekuperator in Verfahrensschritt d) mit dem zweiten Teilstrom des CO2-Stroms, welcher vom Flussteiler zum Wärmeübertrager in Absatz b) geführt wird, so vereint, dass beide Teilströme zusammen den Wärmeübertrager als ersten Wärmeübertrager, den Hauptheizer zur Aufnahme der Abwärme durch das CO2 passieren.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform hat der andere, zweite Teilstrom des CO2-Stroms zuvor einen zweiten Wärmeübertrager, den Vorheizer - zur Aufnahme der Abwärme durch das CO2 - passiert, bevor dieser zweite Teilstrom mit dem ersten Teilstrom vereint wird und beide gemeinsam den ersten Wärmeübertrager passieren. Naturgemäß ist die Temperatur, die der erste Wärmeübertrager bereitstellt, höher als die vom zweiten Wärmeübertrager bereitgestellte Temperatur, da das Medium, welches die Abwärme bereitstellt und als Abwärmestrom heranführt, am ersten Wärmeübertrager noch wesentlich heißer ist als am zweiten Wärmeübertrager. Die zuletzt beschriebene Ausführungsform nutzt demnach eine sequenzielle Heizung mittels des ersten Wärmeübertragers und des zweiten Wärmeübertragers.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung führt die Leitung zwischen Austreiber und Verdampfer der Absorptionskälteanlage an einem Sub-Kühler vorbei. Das heißt, der Strom des aus der Turbine austretenden CO2 wird nach Kühlung am Austreiber an einem Sub-Kühler vorbeigeführt, bevor er zum Verdampfer der Absorptionskälteanlage geleitet wird. Diese Ausführung ist vorteilhaft, da sie die Kühlleistung am Verdampfer erhöht. In einer bevorzugten Ausführung der Erfindung ist die Absorptionskälteanlage eine LiBr/H2O-Absorptionskälteanlage. Besonders günstig ist, wenn die Absorptionskälteanlage ohne einen Lösungswärmetauscher-Rekuperator zwischen dem Austreiber und dem Absorber arbeitet. Dieser ist nach dem Stand der Technik erforderlich, wird jedoch für die erfindungsgemäße Anlage nicht benötigt, wie sich überraschend gezeigt hat.
Vorteilhafterweise umfasst die Energieanlage einen Generator zur Gewinnung von elektrischem Strom, mechanisch verbunden mit der Kraftmaschine, als Turbine ausgeführt, bzw. in Schritt c) des Verfahrens wird zusätzlich aus der gewonnenen mechanischen bzw. Bewegungsenergie der Kraftmaschine bzw. Turbine noch mittels eines an die Kraftmaschine mechanisch gekoppelten Generators Strom erzeugt. Vorzugsweise liegt die Temperatur des CO2 vor Eintritt in die Pumpenanordnung bei 20 ± 5 °C, sodass das CO2 dort im subkritischen Zustand vorliegt.
Es hat sich bei der Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens als vorteilhaft erwiesen, wenn in Schritt b) die Abwärme von einem Medium, einem Abwärmestrom, übertragen wird, das eine maximale Temperatur von 450 °C, vorzugsweise zwischen 350 und 400 °C, aufweist. In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens liegt die Temperatur des aus der Turbine austretenden CO2 bei 240 ± 20 °C und nach dem Wärmetransfer in Schritt d) bei 75 ± 10 °C, bevorzugt vorher bei 235-245 °C und nachher bei 70-80 °C. Besonders bevorzugt wird dabei im Gegenzug das zur Turbine hinführende sCO2 von 40-60 °C auf 225 ± 20 °C geheizt, insbesondere von 50 ± 5 °C auf 205-235 °C.
In einer bevorzugten Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens beträgt die Temperatur des zu kühlenden CO2 am Eintritt des Austreibers mindestens 60 °C, vorzugsweise mindestens bei 65 °C. Ein Temperaturbereich von 75 ± 10 °C hat sich als vorteilhaft erwiesen, wobei der Temperaturbereich zwischen 70 °C und 80 °C die besten Ergebnisse gebracht hat. Dem entspricht eine Ausführungsform, bei der das von der Turbine zum Rekuperator strömende CO2 nach dem Austritt aus dem Rekuperator eben diese Temperaturen aufweist. Die thermische Effektivität beim Wärmeaustausch ist somit limitiert und liegt bei ca. 85-95 %.
Ein weiterer Vorteil der Erfindung liegt in einer Vereinfachung des Absorptionssystems durch Verzicht auf den SHX, den internen Wärmetauscher mit SHX-Ausrüstung (Lösungswärmetauscher). Bei dieser Einrichtung handelt es sich um einen Wärmetauscher zwischen dem Austreiber und Absorber des Absorptionskühlsystems. Die Verwendung dieser Ausrüstung ist nach dem Stand der Technik Standard für ein Absorptionssystem, erfordert aber einen zusätzlichen Aufwand. Der Verzicht auf diese Einrichtung, den die Erfindung ermöglicht, bedeutet eine Vereinfachung des Systems.
Bei den meisten bekannten Recompressions-Architekturen (HTR) werden die CO2- Teilströme kurz vor dem Hochtemperatur-Rekuperator zusammengeführt. Daher sind in einer solchen vorbekannten Anlage die Massenströme beider Ströme (heiße Seite und kalte Seite) gleich groß. Im Gegensatz zu dieser Architektur erfolgt jedoch bei dem sCO2-Vorwärmzyklus der vorliegenden Erfindung die Zusammenführung der beiden CO2-Ströme nach dem Rekuperator und dem Vorwärmer und unmittelbar vor dem Hauptheizer. Somit besteht im Rekuperator eine Differenz zwischen den Massenströmen der beiden Ströme (heiße Seite und kalte Seite). Diese Eigenschaft führt auch dazu, die Irreversibilität der Anlage zu verringern, die Vorwärmarchitektur kommt zudem ohne den Einsatz des HTR und des Rückverdichters aus.
Der Einsatz des erfindungsgemäßen Systems zur Abwärmenutzung aus industriellen Prozessen ist besonders vorteilhaft bei der thermischen Nutzung von als mittlere Temperatur eingestuften Wärmequellen. Denn deren Nutzung stellt eine technischwirtschaftliche Herausforderung für die Energieerzeugung durch sCO2-Systeme dar. Daher sind die vorgeschlagenen Änderungen geeignet, ein größeres Potenzial der Anwendung für das kombinierte System zu schaffen. Bei Hochtemperatur- Wärmequellen sind die Betriebseigenschaften jedoch völlig anders.
Für die Realisierung der Erfindung ist es auch zweckmäßig, die vorbeschriebenen erfindungsgemäßen Ausgestaltungen, Ausführungsformen und Merkmale der Ansprüche miteinander zu kombinieren. Nachfolgend soll die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen eingehender erläutert werden, die die Erfindung näher beschreiben, ohne sie jedoch zu beschränken. Figur 1 zeigt eine erste Ausführungsform der Erfindung. Figur 2 zeigt eine zweite Ausführungsform der Erfindung mit zusätzlichem Sub-Kühler. Fig. 3 zeigt die Lage des überkritischen Bereichs in einem Entropie-Temperatur-Diagramm.
In Fig. 1 ist schematisch ein Kreislauf des überkritischen CO2, des sCO2 dargestellt, insbesondere die erfindungsgemäße Anordnung zur Umwandlung von Abwärme in mechanische Energie. In den nachfolgenden Darlegungen wird das CO2 durchgängig als Arbeitsmedium bezeichnet, da es für das erfindungsgemäße Verfahren, ausgeführt in der erfindungsgemäßen Anordnung, dessen bevorzugte Ausführungsformen beschrieben werden, das Arbeitsmedium eines Wärmekraftprozesses bzw. einer Wärmekraftmaschine darstellt.
In dem Kreislauf wird der Druck des Arbeitsmediums durch eine Pumpe 1 als einer Ausführungsform der Pumpenanordnung über den kritischen Druck hinaus angehoben, der dann am Ausgang der Pumpe 1 und in Leitung 2 herrscht. An einem Flussteiler 3 wird das Arbeitsmedium in zwei Teilströme auf die Leitungen 4 und 5 aufgeteilt, wobei der erste Teilstrom in Leitung 4 durch einen Hochtemperatur-Rekuperator 6 und der zweite Teilstrom in Leitung 5 durch einen Wärmeübertrager, einen Vorheizer 7 geführt wird.
Der Rekuperator 6 ist für den Betrieb mit zwei unterschiedlichen Massendurchsätzen ausgeführt, wobei der Massendurchsatz in Leitung 4, der erste Teilstrom, 55 bis 65 % des Massendurchsatzes von Leitung 19, dem zweiten Teilstrom nach Austritt aus der Kraftmaschine 17, entspricht. Dies ermöglicht eine bessere thermodynamische Leistung der gesamten Anlage, weil dieses Verhältnis der Massenströme einen größeren Wärmeübergang zwischen dem Niederdruck- und Hochtemperaturstrom in Leitung 19 und dem Hochdruck- und Niedertemperaturstrom in Leitung 4 ermöglicht. Die geringere Irreversibilität hat zur Folge, dass der Rekuperator 6 eine bessere thermodynamische Leistung aufweist. Der vorgeschlagene Massendurchsatz ermöglicht ein besseres Gleichgewicht zwischen den Wärmekapazitäten auf beiden Seiten des Wärmetauschers. Dies führt zu einem besseren Temperaturgefälle im Wärmetauscher, was die Gesamtwärmeübertragungseffizienz erhöht und die Irreversibilität verringert. Dies führt daher zu einer verbesserten thermischen Effizienz des Wärmetauschers.
Das Arbeitsmedium in Leitung 8, der Fortsetzung der Leitung 4 nach dem Hochtemperatur-Rekuperator 6, gewinnt die Wärme aus dem die Kraftmaschine 17 verlassenden Arbeitsmedium in Leitung 19 mittels des Hochtemperatur-Rekuperators 6 zurück. Das Abgas als Träger der Abwärme in Leitung 15 erwärmt das Arbeitsmedium zunächst mittels des zweiten Wärmeübertragers, des Vorheizers 7, sodass das Arbeitsmedium eine erhöhte Temperatur erreicht, mit der es dann in Leitung 9 einströmt. Ein Mischer 10 mischt die Arbeitsmedien aus den Leitungen 8 und 9, das resultierende Arbeitsmedium strömt in Leitung 11 zu einem ersten Wärmeübertrager, einem Hauptheizer 12, während das Abgas als Träger der zur Nutzung als Energiequelle vorgesehenen Abwärme durch die in den Wärmeübertrager 12 eintretende Leitung 14 das bereits vorgewärmte Arbeitsmedium weiter erhitzt.
Die Turbine 17 entspannt das Arbeitsmedium, das ihr in Leitung 13 zuströmt, bis es in Leitung 19 eintritt, und überträgt die dabei entstehende bzw. gewandelte mechanische Energie zu einem Generator 18. Am Ausgang der Turbine 17, beim Eintritt in die Leitung 19, bleibt das Arbeitsmedium im unterkritischen Druck. Das Arbeitsmedium erreicht durch Leitung 19 den Hochtemperatur-Rekuperator 6, wird dort durch das Arbeitsmedium aus Leitung 4, von der kalten Seite, abgekühlt und fließt über Leitung
20 zu einem Austreiber 23 einer Lithiumbromid-Wasser-Absorptionskälteanlage. Die Wärme des Arbeitsmediums, vorliegend im Niederdruck in Leitung 20, versorgt den Absorptionskälteprozess der Absorptionskälteanlage, indem mittels der Energie aus dem Arbeitsmedium das Absorptionsgemisch aus LiBr-Salzlösung und Wasser im Austreiber 23 wieder getrennt wird. Anschließend wird das Arbeitsmedium über Leitung
21 mit reduzierter Temperatur im Verdampfer 31 kondensiert. Schließlich wird das Arbeitsmedium über Leitung 22 mit niedriger Temperatur in die Pumpe 1 zurückgeführt und schließt den Vorwärmzyklus ab.
Der Einsatz des Kühlsystems mit den Hauptkomponenten Austreiber 23, Kondensator 25, Verdampfer 31 , Absorber 33 dient in erster Linie dazu, Wärme aus den Strömen 20 und 21 abzuführen. Der Strom 20 ist die Wärmequelle im Austreiber 23 zur Verdampfung von Wasser aus dem Gemisch von Wasser (Kältemittel) und Lithiumbromid (Absorptionsmittel), das durch den Strom 36 dargestellt wird. Der Strom 20 nach dem Rekuperator 6 ist somit der Hauptantrieb für den Austreiber 23. Der Strom 30 mit einer Temperatur von 15 °C ist das Kühlmedium für die Wärmeabfuhr aus dem CO2-Strom 21 im Verdampfer 31. Der Verdampfer 31 ist in diesem Fall der Hauptkühler des sCO2-Kreislaufs.
In der Lithiumbromid-Absorptionskälteanlage ist Wasser (H2O) das Kältemittel, während Lithiumbromid (LiBr) das Absorptionsmittel ist. Im Austreiber 23 nimmt die schwache Lithiumbromidlösung Wärme aus dem Arbeitsmedium, das in Leitung 20 zuströmt, auf, um das Kältemittel (Wasser) zu verdampfen. Daraufhin strömt der Wasserdampf aus dem Austreiber 23 als Kältemitteldampf in Leitung 24 in den Kondensator 25 und kondensiert zu dem Zustand, in dem er in den Auslass 28 eintritt. Kühlmittel, beispielsweise Kühlwasser, wird über die Kühlmittelanschlüsse 26, 27 zugeführt.
Das unter hohem Druck stehende flüssige Kältemittel, das durch die Leitung 28 strömt, dehnt sich an einem Expansionsventil 29 aus, wodurch der Druck des Kältemittels in der vom Expansionsventil 29 abgehenden Leitung 30 auf den niedrigen Druck im Verdampfer 31 sinkt. Das Kältemittel verdampft zum gesättigten Dampfkältemittel, indem es die Wärme aus dem gekühlten Arbeitsmedium in Leitung 21 im Verdampfer 31 aufnimmt, und tritt in Leitung 32 ein.
Das Kältemittel, hier Wasser im Zustand gesättigten Dampfs, tritt durch die Leitung 32 in einen Absorber 33 ein, um von der starken Salzlösung (LiBr-Lösung) absorbiert zu werden. Eine Absorberpumpe 35 erhöht den Druck der nun verdünnten, ihr über Leitung 34 zuströmenden LiBr-H2O-Lösung und führt sie über Leitung 36 zum Einlass in den Austreiber 23, wo das Wasser ausgetrieben wird. Die nun wieder konzentrierte LiBr-Salzlösung verlässt den Austreiber 23 über Leitung 37, dehnt sich an einem Drosselventil 38 aus und tritt über Leitung 39 in den Absorber 33 ein. Über Kühlanschlüsse 40, 41 wird im Absorber 33 Wärme abgeführt, beispielsweise mittels Kühlwasser.
Fig. 2 zeigt, neben den bereits zu Fig. 1 erläuterten Bauteilen und Abläufen, die ansonsten identisch sind, schematisch eine Leitung 21 für einen Strom des aus der Turbine 17 austretenden Arbeitsmediums unter Niederdruck, das nach Kühlung am Austreiber 23 zusätzlich zur Erhöhung der Kühlleistung im Verdampfer 31 an einem Sub-Kühler 42 vorbeigeführt wird, ehe das Arbeitsmedium in den Verdampfer 31 eintritt. Aus dem Sub-Kühler 42 wird die Wärme mittels Kühlwasser 43, 44 abgeführt. Ergänzend wird darauf hingewiesen, dass in den Figuren 1 und 2 kein SHX (Lösungswärmetauscher) zwischen Austreiber 23 und Absorber 33 verwendet wird. Die Verwendung einer solchen Ausrüstung ist ansonsten Standard für ein derartiges Absorptionssystem. Der Verzicht auf diese Ausrüstung würde eine mögliche Vereinfachung des Systems bedeuten.
Fig. 3 zeigt in einem T-s-Diagramm mit der spezifische Entropie s als Abszisse und der absoluten Temperatur T als Ordinate den schematisch überkritischen Bereich 50, wie er beispielsweise in CO2-Prozessen wie dem erfindungsgemäßen Verfahren Anwendung findet. Zudem sind der unterkritische Bereich 51 mit einer höheren spezifischen Entropie s und das Mischphasengebiet 52 bei einer niedrigeren Temperatur ? gezeigt.
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Bezugszeichen
1 Pumpenanordnung, Pumpe (der Energieanlage)
2 Leitung für CO2 (Hochdruck)
3 Flussteiler
4 Leitung für CO2 (Hochdruck, erster Teilstrom)
5 Leitung für CO2 (Hochdruck, zweiter Teilstrom)
6 Rekuperator (Wärmeübertrager); Hochtemperatur-Rekuperator
7 Vorheizer, zweiter Wärmeübertrager (zweiter Heizer, Abwärme auf
CO2)
8 Leitung für CO2 (Hochdruck, erster Teilstrom)
9 Leitung für CO2 (Hochdruck, zweiter Teilstrom)
10 Mischer mit Drossel
11 Leitung für CO2 (Hochdruck)
12 erster Wärmeübertrager (Hauptheizer, Abwärme auf CO2)
13 Leitung für CO2 (Hochdruck)
14, 15, 16 Leitung für Abwärmestrom
17 Kraftmaschine, Turbine
18 Generator
19, 20, 21 , 22 Leitung für CO2 (Niederdruck), CO2-Strom
23 Austreiber (der Absorptionskälteanlage)
24 Leitung für H2O (Kältemitteldampf der Absorptionskälteanlage)
25 Kondensator (der Absorptionskälteanlage)
26, 27 Anschluss für Kühlwasser für den Kondensator
28 Leitung für H2O (Wasser)
29 Expansionsventil (der Absorptionskälteanlage)
30 Leitung für H2O (Wasser)
31 Verdampfer
32 Leitung für H2O (Wasser)
33 Absorber (der Absorptionskälteanlage)
34 Leitung für LiBr/H2O (verdünnte Lösung)
35 Absorberpumpe (Pumpe der Absorptionskälteanlage)
36 Leitung für LiBr/H2O (verdünnte Lösung, Mischung Kältemittel und
Salzlösung)
37 Leitung für LiBr (konzentrierte Lösung)
38 Drosselventil Leitung für LiBr (konzentrierte Lösung) , 41 Anschluss für Kühlwasser für den Absorber Sub-KühlerA/orkühler
Leitung für Kühlwasser für den Sub-Kühler des CO2 Leitung für Kühlwasser für den Sub-Kühler des CO2 überkritischer Bereich unterkritischer Bereich
Mischphasengebiet
Entropie
Temperatur

Claims

Patentansprüche
1. Anordnung zur Umwandlung von Abwärme in mechanische Energie unter Einsatz von Kohlendioxid (CO2) im überkritischen Zustand (sCO2), umfassend a) eine Pumpenanordnung (1) zur Druckerhöhung und zum Weitertransport des CO2 unter transkritischen Bedingungen aus einer Leitung (22), wobei das CO2 am Einlass der Pumpenanordnung (1) einen Druck oberhalb des kritischen CO2-Drucks und eine Temperatur unterhalb der kritischen CO2-Temperatur aufweist, b) wenigstens zwei Wärmeübertrager, ein Vorheizgerät (7) und ein Hauptheizgerät (12), zur Übertragung von Abwärme aus einem Abwärmestrom in einer Leitung (14, 15, 16) auf das CO2 als Trägermedium und Arbeitsmedium, so dass das CO2 im überkritischen Zustand als sCO2 vorliegen kann, c) eine Kraftmaschine (17) zur Generierung von mechanischer Energie mittels des sCO2, und d) eine Absorptionskälteanlage zur geregelten Kühlung des aus der Kraftmaschine (17) austretenden CO2, dem danach im Rekuperator (6) bereits Wärme entzogen wurde, umfassend einen Austreiber (23) und einen Verdampfer (31), in denen dem CO2 in zwei Stufen Wärme entzogen wird, indem eine Leitung (20) umfasst ist, die vom Rekuperator
(6) zum Austreiber (23) führt und weiterhin eine Leitung (21) umfasst ist, die vom Austreiber (23) zum Verdampfer (31) führt, dadurch gekennzeichnet, dass e) die Absorptionskälteanlage ausgeführt ist, die Temperatur am Einlass der Pumpenanordnung (1) konstant unter der kritischen Temperatur zu halten, f) dass zwischen Kraftmaschine (17) und Austreiber (23) ein Rekuperator (6) zum Wärmetransfer von dem aus der Kraftmaschine (17) austretenden CO2 zum zur Kraftmaschine (17) hinführenden sCO2 angeordnet ist, und dass zwischen der Pumpenanordnung (1), dem Rekuperator (6) und dem Vorheizgerät
(7) ein Flussteiler (3) zum Teilen des Stroms aus CO2 in einen ersten Teilstrom zum Rekuperator (6) und einen zweiten Teilstrom zur Übertragung von Abwärme mittels der wenigstens zwei Wärmeübertrager (7, 12) angeordnet ist.
2. Anordnung nach Anspruch 1 , wobei das CO2 unter transkritischen Bedingungen einen Druck über dem kritischen Druck, mindestens jedoch 75 bar, und eine Temperatur zwischen 20 °C und 28 °C aufweist.
3. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Flussteiler (3) ausgeführt oder eingestellt ist, ein Massendurchflussverhältnis von 55 bis 65 % für einen ersten Teilstrom von CO2 unter Hochdruck in Leitung (4) im Verhältnis zu einem Strom in Leitung (19) zum Rekuperator (6) zu gewährleisten. Anordnung nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei CO2 unter Hochdruck in einem ersten Teilstrom (8), CO2 unter Hochdruck in einem zweiten Teilstrom (9) in einem Mischer (10) in eine Leitung (11) als CO2 unter Hochdruck zusammengeführt werden. Anordnung nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei eine Leitung (21) zwischen dem Austreiber (23) und dem Verdampfer (31) der Absorptionskälteanlage durch einen Sub-Kühler (42) zur weiteren Abkühlung geführt ist. Anordnung nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Absorptionskälteanlage eine LiBr/H2O-Absorptionskälteanlage ist. Anordnung nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Absorptionskälteanlage ohne einen Lösungswärmetauscher-Rekuperator zwischen dem Austreiber (23) und dem Absorber (33) arbeitet. Anordnung nach einem der vorherigen Ansprüche, umfassend einen Generator (18) zur Gewinnung von Strom, mechanisch verbunden mit der als Turbine ausgeführten Kraftmaschine (17). Verfahren zur Umwandlung von Abwärme in mechanische Energie, umfassend die Schritte: a) Druckerhöhung und Transport von CO2 mittels einer Pumpenanordnung (1), wobei das CO2 am Einlass der Pumpenanordnung (1) einen Druck oberhalb des kritischen CO2-Drucks und eine Temperatur unterhalb der kritischen CO2-Temperatur aufweist, b) Übertragung von Abwärme aus einem Abwärmestrom auf CO2 als Trägermedium und Arbeitsmedium sequenziell in mindestens zwei Stufen, so dass das CO2 nach der Verdichtung im überkritischen Zustand als sCO2 vorliegt, und c) Generierung von mechanischer Energie aus dem sCO2 mittels einer Kraftmaschine (17), dadurch gekennzeichnet, dass d) mittels eines zwischen Kraftmaschine (17) und Austreiber (23) angeordneten Rekuperators (6) ein Wärmetransfer von dem aus der Kraftmaschine (17) durch die Leitung (19) austretenden C02 hin zu dem sCO2 in einer zur Kraftmaschine (17) hinführenden Leitung (4) stattfindet, und dass das C02 nach dem Transport durch die Pumpenanordnung (1) in Schritt a) durch einen Flussteiler (3) geteilt wird, wobei ein erster Teilstrom durch die Leitung (4) zu dem Rekuperator (6) in geleitet wird, und ein zweiter Teilstrom durch eine Leitung (5) zur Übertragung von Abwärme in Schritt b) geleitet wird, e) geregelte Kühlung des aus der Kraftmaschine (17) austretenden CO2 mittels einer Absorptionskälteanlage, umfassend einen Austreiber (23) und einen Verdampfer (31), wobei das aus der Kraftmaschine (17) über eine Leitung (19) austretende CO2 zuerst im Rekuperator (6), danach mittels des Austreibers (23) und zuletzt mittels des Verdampfers (31) der Absorptionskälteanlage gekühlt wird, f) die Absorptionskälteanlage die Temperatur am Einlass der Pumpenanordnung (1) konstant unter der kritischen Temperatur hält, Verfahren nach Anspruch 9, wobei das CO2 in Schritt a) am Einlass der Pumpenanordnung (1) einen Druck oberhalb des kritischen CO2-Drucks und eine Temperatur unterhalb der kritischen CO2-Temperatur aufweist und damit unter transkritischen Bedingungen in die Pumpenanordnung (1) eintritt. Verfahren nach Anspruch 10, wobei das CO2 unter transkritischen Bedingungen einen Druck über dem kritischen Druck, mindestens jedoch 75 bar, und eine Temperatur zwischen 20 °C und 28 °C aufweist. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 11 , wobei in einem Mischer (10) ein erster Teilstrom in Leitung (8) von CO2 unter Hochdruck, ein zweiter Teilstrom in Leitung (9) von CO2 unter Hochdruck zu einem Strom in Leitung (11) von CO2 unter Hochdruck gemischt wird. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 12, wobei die Temperatur des zweiten Teilstroms (9) am Ausgang des Vorheizgeräts (7) von der Temperatur des ersten Teilstroms (8) am Ausgang des Rekuperators (6) um nicht mehr als ± 10 K abweicht. Anordnung nach einem der Ansprüche 9 bis 13, wobei der Flussteiler (3) ein Massendurchflussverhältnis von 55 bis 65 % für einen ersten Teilstrom von CO2 unter Hochdruck in Leitung (4) im Verhältnis zu einem zweiten Strom in Leitung (19) zum Rekuperator (6) herstellt, damit ein optimales thermisches Kapazitätsverhältnis zwischen den beiden Strömen garantiert und so die Irreversibilität in der Anlage verringert. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 14, wobei der erste der im Flussteiler (3) geteilten CO2-Teilströme in Leitung (4, 8) nach dem Rekuperator (6), in dem der Wärmetransfer gemäß Schritt f) erfolgt ist, mit dem zweiten der im Flussteiler (3) geteilten CO2-Teilströme in Leitung (5, 9) vereint wird, sodass beide Teilströme zusammen die Abwärme aufnehmen können. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 15, wobei das CO2 vor Eintritt in die Pumpenanordnung (1) eine Temperatur zwischen 20 und 28 °C aufweist und das CO2 dort im transkritischen Zustand vorliegt. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 16, wobei in Schritt b) die Abwärme von einem Medium übertragen wird, das maximal eine Temperatur von 450 °C aufweist. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 17, wobei in Schritt f) die Temperatur des aus der Kraftmaschine (17) austretenden CO2 240 ± 20 °C und nach dem Wärmetransfer im Rekuperator (6) gemäß Schritt f) 75 ± 10 °C beträgt. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 18, wobei in Schritt d) die Temperatur des zu kühlenden CO2 am Eintritt des Austreibers 75 ± 10 °C beträgt. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 19, wobei eine höhere Wärmeaufnahme im Austreiber (23) ermöglicht wird, indem die Absorptionskälteanlage ohne einen Lösungswärmetauscher-Rekuperator zwischen dem Austreiber (23) und dem Absorber (33) arbeitet. Verwendung einer Absorptionskälteanlage als Bottoming-System eines sCO2-Kreislaufs gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei die Absorptionskälteanlage als Kühler für das Topping-System dient und einen Austreiber (23) und einen Verdampfer (31) umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass ein CO2-Strom (20) die ausschließliche Wärmequelle für den Antrieb des Austreibers (23) ist, und dass die Absorptionskälteanlage als Temperaturregler für die Wärmeabfuhr aus dem CO2-System der Energieanlage dient und dazu die Temperatur des Stroms (22) am Einlass der Pumpenanordnung (1) unabhängig von der Umgebungstemperatur auf unterkritische Temperaturbedingungen von 20 bis 28°C regelt, wobei der Verdampfer (31) der Hauptkühler des Topping-Systems ist.
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