EP4689365A1 - System zur umwandlung von thermischer energie in mechanische energie - Google Patents

System zur umwandlung von thermischer energie in mechanische energie

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EP4689365A1
EP4689365A1 EP24708414.8A EP24708414A EP4689365A1 EP 4689365 A1 EP4689365 A1 EP 4689365A1 EP 24708414 A EP24708414 A EP 24708414A EP 4689365 A1 EP4689365 A1 EP 4689365A1
Authority
EP
European Patent Office
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flow medium
cooling unit
condenser
flow
medium
Prior art date
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Pending
Application number
EP24708414.8A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Robin Sudhoff
Michael Wechsung
Stefan Glos
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.)
Factor2energy GmbH
Original Assignee
Factor2energy GmbH
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Filing date
Publication date
Application filed by Factor2energy GmbH filed Critical Factor2energy GmbH
Publication of EP4689365A1 publication Critical patent/EP4689365A1/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
    • F01K7/00—Steam engine plants characterised by the use of specific types of engine; Plants or engines characterised by their use of special steam systems, cycles or processes; Control means specially adapted for such systems, cycles or processes; Use of withdrawn or exhaust steam for feed-water heating
    • F01K7/32—Steam engine plants characterised by the use of specific types of engine; Plants or engines characterised by their use of special steam systems, cycles or processes; Control means specially adapted for such systems, cycles or processes; Use of withdrawn or exhaust steam for feed-water heating the engines using steam of critical or overcritical pressure
    • 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

Definitions

  • the invention relates to a system comprising a pump for conveying a flow medium, an arrangement for converting the flow medium from a liquid into a gaseous state, a flow machine for converting the thermal energy of the flow medium into mechanical energy, a condenser for condensing the gaseous flow medium into a liquid state.
  • Thermal power processes can be carried out in a closed system.
  • An example of a closed thermal power process is a water-steam cycle in a power plant for generating electrical energy. Water or steam is used as a heat transfer medium and working medium. Such cycles are known as the Clausius Rankine process.
  • Another flow medium that can be used in a circuit is carbon dioxide.
  • An advantage of carbon dioxide over water is that the critical point is at a comparatively low pressure and temperature level.
  • the critical point for carbon dioxide is at a pressure of approx. 74 bar and a temperature of approx. 31 °C.
  • the critical point of water is at a pressure of approx. 221 bar and a temperature of 385 °C.
  • the flow medium here is not water vapor, the flow machine used to convert thermal energy into mechanical energy is called a steam turbine.
  • FIG. 1 shows a circuit 1 according to the prior art, in particular a CO2 cycle.
  • the flow medium CO2
  • the condenser 4 is operated with cooling water 8, on which the flow medium condenses.
  • the cooling water 8 flows through pipes 9 in a condenser housing 10.
  • the pump 3 conveys the liquid CO2 to an arrangement 5 which is designed to convert liquid CO2 into gaseous CO2. This is done using fuels, such as fossil fuels, or also by using geothermal energy, which is known under the term geothermal power plant.
  • the gaseous CO2 flows to a steam turbine 6 which is designed to convert the thermal energy of the CO2 into mechanical energy.
  • the cooled CO2 then reaches the condenser 4, which closes the circuit.
  • CO2 emissions One possibility to avoid or reduce carbon dioxide emissions would be through negative CO2 emissions, which are achieved by capturing and storing CO2 in geological formations (CCS).
  • CCS geological formations
  • CO2S For injection into these geological layers, a certain injection pressure of CO2S of 80 to 120 bar at the surface is necessary, which is composed of the hydrostatic pressure in the storage formation minus the pressure due to the CO2 column in the injection well.
  • CCS CO2
  • geological formations with the shallowest possible depth > 800 m are usually selected. This limits the costs for injection drilling and the costs for compaction associated with the injection pressure.
  • a simulation of such power plants shows that particularly high performance and economical operation would be possible if a geological formation at greater depth was chosen as the reservoir .
  • US 8,316,955 B2 discloses an application of sCCp circuits for geothermal power generation.
  • the system described there has an additional operating principle based on the significant difference in geodetic height.
  • the heat supply takes place in the ground, at depths of more than 730 m and frequently at depths of 2000 m to 5000 m.
  • the average density of "cold" CO2 (at 10 °C to 40 °C) along the injection bore differs significantly from the average density of warm CO2 (between approx. 60 °C and 260 °C).
  • This difference in density creates a natural circulation of the flow medium, which is also known as the thermosiphon effect.
  • the working medium circulates without the addition of mechanical work.
  • the extraction of thermal energy from the earth can be accelerated with a circulation pump.
  • thermosiphon effect is thus enhanced.
  • the object of the invention is to improve a system with an SCO2 cycle.
  • a system comprising a pump for conveying a flow medium, an arrangement for converting the flow medium from a liquid to a gaseous state, a flow machine for converting the thermal energy of the flow medium into mechanical energy, a condenser for condensing the gaseous flow medium into a liquid state, with an additional heat exchanger which is arranged between the arrangement and the turbomachine is arranged, with an additional heat exchanger which is arranged between the arrangement and the turbomachine, wherein the additional heat exchanger is designed to increase the temperature of the flow medium, wherein the increase in the temperature of the flow medium in the additional heat exchanger comes from the thermal energy of the waste heat from a compression or liquefaction process in a plant for separating and storing carbon dioxide.
  • the object is achieved by a method for operating a system in which a flow medium in the liquid state is conveyed to an arrangement by means of a pump, wherein in the arrangement the flow medium is converted from the liquid to a gaseous state, wherein the gaseous flow medium is led into a flow machine where the thermal energy of the flow medium is converted into mechanical energy, wherein after the flow machine the flow medium is converted back into the liquid state in a condenser, wherein an additional heat exchanger is arranged between the arrangement and the flow machine, wherein the increase in the temperature of the flow medium in the additional heat exchanger comes from the thermal energy of the waste heat through a compression or liquefaction process from a system for separating and storing carbon dioxide.
  • the invention thus solves the problem described by using the waste heat of a compressor or pump unit at a temperature level of 80 - 130 ° C, which is too low for many power plant processes, to further heat the CO2 coming from the production wells of the geothermal power plant.
  • CCS carbon dioxide
  • compressor or pump units are used which lead to heating during operation.
  • the CO2 to be The medium to be compressed (carbon dioxide) is heated. It is therefore proposed according to the invention to use the heat generated by the compressor or pump unit and to use it in a system to heat a flow medium.
  • the flow medium is further heated in a heat exchanger by the waste heat from the system for separating and storing carbon dioxide before entering a flow machine.
  • An essential feature of the invention is the use of thermal energy generated in a compressor or pump unit in a carbon dioxide capture and storage (CCS) plant.
  • CCS carbon dioxide capture and storage
  • the process described increases the performance of the turbomachine significantly.
  • the increase in performance is also very significant, by a factor of between 1.5 and 3.
  • the cooling unit is designed as a heat exchanger. Another name for the cooling unit would be subcooler.
  • the cooling should advantageously be designed in such a way that the temperature reduction of the flow medium after condensation is 5 K. The temperature reduction can also be higher or lower than 5 K. In a further advantageous further training, the further
  • Cooling unit designed as a heat exchanger. Another name for the additional cooling unit would be desuperheater.
  • the turbomachine is designed as a steam turbine or CCp expander or can be referred to as a steam turbine or CO2 expander.
  • Figure 1 shows a circuit according to the state of the art.
  • Figure 2 shows a circuit according to the invention.
  • Figure 3 is a representation of a T-S diagram of the circuit according to the invention.
  • Figure 1 shows a conventional circuit 1 which has already been described above.
  • Figure 2 shows a circuit 1 according to the invention. The difference between the circuit 1 according to Figure 1 and the circuit 1 according to the invention is described below.
  • a cooling unit 7 is arranged in addition to the condenser 4.
  • the cooling unit 7 is arranged between the condenser 4 and the pump 3.
  • the condenser 4 is operated with cooling water 8, on which the flow medium condenses.
  • the cooling water 8 flows through pipes 9 in a condenser housing 10.
  • the cooling unit 7 is designed to further cool the liquid flow medium.
  • the liquid flow medium is operated with cooling water 8.
  • a further cooling unit 31 is arranged between the pump 3 and the arrangement 5.
  • FIG. 2 shows a system 41 for separating and storing carbon dioxide, which is operated in parallel to system 1.
  • Carbon dioxide is led from a flue gas 42 via a line 43 to a pump or compressor unit 40.
  • the pressure of the carbon dioxide at the inlet is approximately 1 bar.
  • the pump or compressor unit 40 the pressure of the carbon dioxide is increased to approximately 80 to 120 bar.
  • the temperature of the carbon dioxide increases as a result.
  • the thermal energy thus generated is now led via a line 33 into the additional heat exchanger 32.
  • the thermal energy of the waste heat generated in the system 41 is thus transferred to the flow medium in the system 1, whereby this transfer takes place in the additional heat exchanger 32.
  • the carbon dioxide cooled in the additional heat exchanger 32 is then led via a line 44 into a storage facility 45 (underground caverns or similar).
  • the flow medium is CO2, especially SCO2.
  • the circuit 1 shown in Figure 2 can be used in a geothermal application.
  • the arrangement 5 is not designed as a separate component, but rather the geothermal energy present in the deep layers of the earth is used.
  • a line 12 is formed into a reservoir in the earth's interior (not shown).
  • the essentially cold flow medium is heated in the reservoir by geothermal energy to such an extent that the flow medium undergoes a phase change from the liquid state to a gaseous state.
  • the gaseous flow medium then returns to the circuit on the earth's surface via a feed line 13, whereby the flow medium is led to the steam turbine 6.
  • steam turbine 6 as an embodiment of a turbomachine, is strictly speaking not operated with steam but with CO2, in particular SCO2, it is referred to here as a steam turbine 6 or CO2 expander.
  • the steam turbine 6 or the C02 expander converts the thermal energy of the flow medium into mechanical energy, which can drive a generator, which in turn produces electrical energy.
  • Figure 3 shows a T-S diagram of the above circuit 1 .
  • the letters A to J refer to the points A to J Figure 2 .
  • the temperature of the flow medium is shown on the Y-axis.
  • the entropy of the flow medium is shown on the X-axis.
  • Step A B the flow medium in pump 3 is brought to a higher pressure at a constant temperature: Step A B .
  • step B C the flow medium is cooled in the further cooling unit 31. The temperature and the entropy of the flow medium decreases.
  • step C D the flow medium enters the injection bore 35 , whereby the temperature of the flow medium increases along the injection bore 35 up to the point D .
  • the flow medium is heated by the arrangement 5, which is a geothermal reservoir with a high thermal energy, whereby the entropy increases at the same time.
  • the flow medium reaches an additional heat exchanger 32.
  • the temperature of the flow medium drops in the process.
  • the thermal energy is used to further increase the temperature and the entropy of the flow medium: Step F G .
  • the steam turbine 6 the thermal energy of the flow medium is finally converted into mechanical energy .
  • the temperature, pressure and entropy decrease in the process Step G H .
  • step H I the flow medium is cooled in a heat unit 30.
  • the flow medium condenses: Step I J .
  • the flow medium is further cooled in a cooling unit 7 on the way to the pump 3 : Step J A.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein System umfassend eine Pumpe (3) zum Befördern eines Strömungsmediums, eine Anordnung (5) zum Umwandeln des Strömungsmediums von eine flüssigen in einen gasförmigen Zustand, eine Strömungsmaschine (6) zum Umwandeln der thermischen Energie des Strömungsmediums in mechanische Energie, einen Kondensator (4) zum Kondensieren des gasförmigen Strömungsmediums in einen flüssigen Zustand, wobei die Abwärme aus einer Anlage (41) zum Abscheiden und Speichern von Kohlenstoffdioxid benutzt wird, um mit einem Zusatz-Wärmetauscher (32) die Temperatur des Strömungsmediums vor Eintritt in die Strömungsmaschine (6) zu erhöhen.

Description

Beschreibung
System zur Umwandlung von thermischer Energie in mechanische Energie
Die Erfindung betri f ft ein System umfassend eine Pumpe zum Befördern eines Strömungsmediums , eine Anordnung zum Umwandeln des Strömungsmediums von einem flüssigen in einen gas förmigen Zustand, eine Strömungsmaschine zum Umwandeln der thermischen Energie des Strömungsmediums in mechanische Energie , einen Kondensator zum Kondensieren des gas förmigen Strömungsmediums in einen flüssigen Zustand .
Wärmekraftprozesse können geschlossen ausgeführt werden . Ein Beispiel für einen geschlossenen Wärmekraftprozess ist ein Wasser-Dampf-Kreislauf in einem Kraftwerk zur Erzeugung von elektrischer Energie . Dabei wird Wasser bzw . Dampf als Wärmeträger und Arbeitsmedium verwendet . Solche Kreisprozesse sind unter der Bezeichnung Clausius Rankine Prozess bekannt .
Bei niedrigen Prozesstemperaturen werden diese Kreisprozesse auch mit organischen Strömungsmedien betrieben . Solche Kreisprozesse sind unter dem Begri f f Organic Rankine Cycle bekannt .
Obwohl das Strömungsmedium in einem Organic Rankine Cycle streng genommen nicht reiner Wasserdampf ist , werden die in diesen Kreisprozessen zur Umwandlung der thermischen Energie in mechanische Energie verwendeten Strömungsmaschinen als Dampfturbinen bezeichnet . Eine andere Bezeichnung für eine mit C02 als Strömungsmedium betriebenen Strömungsmaschine wäre CO2-Expander .
Ein weiteres Strömungsmedium das in einem Kreislauf eingesetzt werden kann, ist Kohlendioxid . Ein Vorteil von Kohlendioxid gegenüber Wasser ist , dass der kritische Punkt sich bei vergleichsweise niedrigem Druck- und Temperaturniveau befindet . Der kritische Punkt für Kohlendioxid liegt bei einem Druck von ca . 74 bar und einer Temperatur von ca . 31 ° C . Der kritische Punkt von Wasser liegt im Vergleich dazu bei einem Druck von ca . 221 bar und einer Temperatur von 385 ° C . Bei solchen Kreisläufen handelt es sich fast immer um überkritische Kreisläufe . Daher werden solche Kreisläufe auch superkritische Kohlendioxid-Kreisläuf e oder sCCp-Kreisläuf e genannt ( sCCt = supercritical CO2 ) . Obwohl auch hier das Strömungsmedium nicht Wasserdampf ist , spricht man bei der für die Umwandlung von thermischer Energie in mechanischer Energie eingesetzte Strömungsmaschine von einer Dampfturbine .
Die Figur 1 zeigt einen Kreislauf 1 gemäß dem Stand der Technik, insbesondere einen C02-Kreisprozess . Vor dem Eintritt 2 in die Pumpe 3 wird das Strömungsmedium ( CO2 ) in einem Kondensator 4 vom gas förmigen Zustand in einen flüssigen Zustand umgewandelt . Der Kondensator 4 wird mit Kühlwasser 8 betrieben, an dem das Strömungsmedium kondensiert . Das Kühlwasser 8 strömt durch Rohre 9 in einem Kondensatorgehäuse 10 . Die Pumpe 3 befördert das flüssige CO2 zu einer Anordnung 5 , die zur Umwandlung von flüssigem CO2 in gas förmigem CO2 ausgebildet ist . Dies erfolgt unter Verwendung von Brennstof fen, wie beispielsweise fossiler Brennstof fe oder auch durch die Verwendung von Erdwärme , was unter dem Begri f f geothermisches Kraftwerk bekannt ist . Nach der Anordnung 5 strömt das gas förmige CO2 zu einer Dampfturbine 6, die zur Umwandlung der thermischen Energie des CO2 in mechanische Energie ausgebildet ist . Anschließend gelangt das abgekühlte CO2 zu dem Kondensator 4 wodurch der Kreislauf geschlossen wird .
Ein wesentliches Merkmal von solchen sCCp-Kreisläuf en ist , dass die Verdichtung des Strömungsmediums im flüssigkeitsnahen Zustandsgebiet erfolgt . Das bedeutet , dass das Arbeitsmedium kompressible Eigenschaften aufweist . Im Gegensatz zu einem Clausius-Rankine-Prozess , bei dem Wasser als Strömungsmedium als inkompressibel bezeichnet werden kann . Dies führt dazu, dass der Verdichter bzw . die Pumpe vergleichsweise viel Kompressionsarbeit leisten muss . Da Kompressionen bzw . Verdichtungen mit Verlusten verbunden sind, bedeutet dies , dass geringe Kompressionsarbeiten, wie in Wasserdampfkreislauf zu geringen Verlusten und große Kompressionsarbeiten, die in sCCp-Kreisläuf en zu großen Verlusten führen .
Eine Möglichkeit Kohlenstof fdioxid-Emissionen zu Vermeiden oder zu Verringern wäre durch negative CO2 Emissionen gegeben, die durch das Abscheiden und Speichern von CO2 in geologischen Formationen ( CCS ) realisiert werden .
Für das Verpressen in diesen geologischen Schichten ist ein gewisser Inj ektionsdruck des CO2S von 80 bis 120 bar an der Oberfläche nötig, der sich aus dem hydrostatischen Druck in der Speicherf ormation abzüglich des Drucks aufgrund der CO2- Säule in der In ektionsbohrung zusammensetzt .
Die Abscheidung des CO2 s aus den Rauchgasen von Kraftwerken oder Industrieanlagen findet bei atmosphärischem Druck statt , sodass vor der Speicherung eine Verdichtung nötig ist .
Diese Verdichtung ist mit großem Energie- und Kühlaufwand verbunden, wodurch Kosten entstehen und eine zusätzliche Menge an Brennstof f eingesetzt werden muss .
Für das Abscheiden und Speichern von CO2 ( CCS ) werden meist geologische Formationen mit möglichst geringer Tiefe ( > 800m) ausgewählt . Dies begrenzt die Kosten für Inj ektionsbohrungen und die mit dem Inj ektionsdruck verbundenen Kosten für die Verdichtung .
Eine Simulation solcher Kraftwerke zeigt , dass besonders hohe Leistungen und ein wirtschaftlicher Betrieb dann möglich wäre , wenn als Reservoir eine geologische Formation in größerer Tiefe gewählt wird .
Die geringere Energieausbeute aus diesen flacheren
Reservoiren folgt aus einem geringen Thermosiphon-Ef fekt und damit verbundenen geringen Turbineneintrittsdrücken und aus einer geringen Turbineneintrittstemperatur .
In der US 8 , 316 , 955 B2 wird eine Anwendung von sCCp- Kreisläufen zur geothermischen Stromerzeugung of fenbart . Das dort beschriebene System besitzt ein zusätzliches Wirkprinzip auf Grund der signi fikanten Di f ferenz der geodätischen Höhe . Die Wärmezufuhr findet im Erdreich statt und zwar in Tiefen von mehr als 730m und häufig in Tiefen von 2000m bis 5000m . Dabei unterscheidet sich die mittlere Dichte von „kalten" CO2 (bei 10 ° C bis 40 ° C ) entlang der Inj ektionsbohrung von der mittleren Dichte des warmen CO2 ( zwischen ca . 60 ° C und 260 ° C ) deutlich . Auf Grund dieses Dichteunterschiedes entsteht ein Naturumlauf des Strömungsmediums , der auch als Thermosiphon- Ef fekt bezeichnet wird . Das Arbeitsmedium zirkuliert ohne Zugabe von mechanischer Arbeit . Die Entnahme der thermischen Energie aus der Erde kann mit einer Zirkulationspumpe beschleunigt werden .
Auch für diese geothermischen Kreisläufe ist es wichtig, das kalte Strömungsmedium möglichst weit in Richtung Flüssigkeit abzukühlen, da dadurch die Dichte am Eintritt der Inj ektionsbohrung sowie die Kompressibilität des Strömungsmediums abnimmt bzw . die notwendige Kompressionsarbeit an deren Eintritt geringer wird . Der Thermosiphon-Ef fekt wird somit verstärkt .
Es ist Aufgabe der Erfindung, ein System mit einem SCO2- Kreislauf zu verbessern .
Gelöst wird diese Aufgabe durch ein System umfassend eine Pumpe zum Befördern eines Strömungsmediums , eine Anordnung zum Umwandeln des Strömungsmediums von einem flüssigen in einen gas förmigen Zustand, eine Strömungsmaschine zum Umwandeln der thermischen Energie des Strömungsmediums in mechanische Energie , einen Kondensator zum Kondensieren des gas förmigen Strömungsmediums in einen flüssigen Zustand, mit einem Zusatz-Wärmetauscher, der zwischen der Anordnung und der Strömungsmaschine angeordnet ist , mit einem Zusatz- Wärmetauscher, der zwischen der Anordnung und der Strömungsmaschine angeordnet ist , wobei der Zusatz- Wärmetauscher zum Erhöhen der Temperatur des Strömungsmediums ausgebildet ist , wobei die Erhöhung der Temperatur des Strömungsmediums im Zusatz-Wärmetauscher durch die thermische Energie der Abwärme aus einem Verdichtungs- oder Verflüssigungsprozess in einer Anlage zum Abscheiden und Speichern von Kohlenstof fdioxid stammt .
Ferner wird die Aufgabe gelöst durch ein Verfahren zum Betreiben eines Systems , bei dem ein Strömungsmedium im flüssigen Zustand mit einer Pumpe zu einer Anordnung befördert wird, wobei in der Anordnung das Strömungsmedium vom flüssigen in einen gas förmigen Zustand umgewandelt wird, wobei das gas förmige Strömungsmedium in eine Strömungsmaschine geführt wird, wo die thermische Energie des Strömungsmediums in mechanische Energie umgewandelt wird, wobei nach der Strömungsmaschine das Strömungsmedium in einem Kondensator wieder in den flüssigen Zustand umgewandelt wird, wobei zwischen der Anordnung und der Strömungsmaschine ein Zusatz-Wärmetauscher angeordnet wird, wobei die Erhöhung der Temperatur des Strömungsmediums im Zusatz-Wärmetauscher durch die thermische Energie der Abwärme durch einen Verdichtungsoder Verflüssigungsprozesses aus einer Anlage zum Abscheiden und Speichern von Kohlenstof fdioxid stammt .
Die Erfindung löst somit das aufgezeigte Problem, indem die Abwärme einer Verdichter- oder Pumpeneinheit auf dem Temperaturniveau von 80 - 130 ° C, welches für viele Kraftwerksprozesse zu niedrig ist , genutzt wird, um das aus den Produktionsbohrungen kommende CO2 des geothermischen Kraftwerks weiter zu erwärmen . Dies führt dazu, dass ein größeres Enthalpiegefälle in der Turbine zur Verfügung steht und die Leistung des Kraftwerks steigt . In einer Anlage zur Abscheidung und Speichern von Kohlenstof fdioxid ( CCS ) werden Verdichter -oder Pumpeneinheiten eingesetzt , die im Betrieb zu einer Erwärmung führen . Insbesondere wird das zu verdichtende Medium (Kohlenstof fdioxid) erwärmt . Es wird somit erfindungsgemäß vorgeschlagen, die durch die Verdichter- oder Pumpeneinheit entstandene Wärme zu nutzen und in einem System zu nutzen, um ein Strömungsmedium zu erwärmen . Dabei wird das Strömungsmedium vor dem Eintritt in eine Strömungsmaschine durch die Abwärme aus der Anlage zur Abscheidung und Speichern von Kohlenstof fdioxid in einem Wärmetauscher weiter erwärmt .
Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen angegeben .
Ein wesentliches Merkmal der Erfindung ist die Nutzung der thermischen Energie , die in einer Verdichter- oder Pumpeneinheit in einer Anlage zur Abscheidung und Speicherung von Kohlenstof fdioxid ( CCS ) entsteht .
Durch das beschriebene Verfahren erhöht sich die Leistung der Strömungsmaschine signi fikant . Die Leistungserhöhung ist ebenfalls sehr signi fikant und zwar um einen Faktor zwischen 1 , 5 und 3 .
Ohne die Verknüpfung des Verdichtungs- bzw . Verflüssigungsprozesses mit dem Geothermie-Prozess , führt die rein technische Optimierung des Verdichtungs- bzw . Verflüssigungsprozesses zu sehr vielen Verdichterstufen mit j eweils einer Zwischenkühlung . Unter Nutzung der Abwärme der Zwischenkühlung ergeben sich neue Optimierungs ziele .
In einer vorteilhaften Weiterbildung ist die Kühleinheit als Wärmetauscher ausgebildet . Eine weitere Bezeichnung für die Kühleinheit wäre Subcooler . Die Kühlung sollte vorteilhafter Weise derart ausgebildet sein, dass die Temperaturreduzierung des Strömungsmediums nach der Kondensation 5 K beträgt . Die Temperaturreduzierung kann auch höher oder niedriger als 5 K betragen . In einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung ist die weitere
Kühleinheit als Wärmetauscher ausgebildet . Eine weitere Bezeichnung für die weitere Kühleinheit wäre Desuperheater .
Die Strömungsmaschine ist als Dampfturbine oder CCp-Expander ausgebildet beziehungsweise kann als Dampfturbine oder CO2- Expander bezeichnet werden .
Die oben beschriebenen Eigenschaften, Merkmale und Vorteile dieser Erfindung sowie die Art und Weise , wie diese erreicht werden, werden klarer und deutlicher verständlich im Zusammenhang mit der Zeichnung näher erläutert werden .
Ein Aus führungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnungen beschrieben . Diese sollen das Aus führungsbeispiel nicht maßgeblich darstellen, vielmehr sind die Zeichnungen, wo zur Erläuterung dienlich, in schematisierter und/oder leicht verzerrter Form ausgeführt . Im Hinblick auf Ergänzungen der in den Zeichnungen unmittelbar erkennbaren Lehren wird auf den einschlägigen Stand der Technik verwiesen .
Gleiche Bauteile oder Komponenten oder Bauteile oder Komponenten mit gleicher Funktion sind dabei mit gleichen Bezugs zeichen gekennzeichnet .
Es zeigen
Figur 1 einen Kreislauf gemäß dem Stand der Technik .
Figur 2 einen erfindungsgemäßen Kreislauf .
Figur 3 eine Darstellung eines T-S-Diagramms des erfindungsgemäßen Kreislaufes .
Die Figur 1 zeigt einen herkömmlichen Kreislauf 1 der bereits weiter oben beschrieben wurde . Die Figur 2 zeigt einen erfindungsgemäßen Kreislauf 1 . Der Unterschied zwischen dem Kreislauf 1 gemäß Figur 1 und dem erfindungsgemäßen Kreislauf 1 wird im folgenden beschrieben . In dem erfindungsgemäßen Kreislauf 1 ist zusätzlich zum Kondensator 4 eine Kühleinheit 7 angeordnet . Die Kühleinheit 7 ist hierbei zwischen dem Kondensator 4 und der Pumpe 3 angeordnet .
Der Kondensator 4 wird mit Kühlwasser 8 betrieben, an dem das Strömungsmedium kondensiert . Das Kühlwasser 8 strömt durch Rohre 9 in einem Kondensatorgehäuse 10 .
Die Kühleinheit 7 ist dazu ausgebildet , das flüssige Strömungsmedium weiter abzukühlen . In einer Aus führungs form wird das flüssige Strömungsmedium mit Kühlwasser 8 betrieben .
Vor dem Kondensator 4 ist eine Wärmeeinheit 30 , die auch als Desuperheater bezeichnet werden kann, angeordnet .
Des Weiteren ist zwischen der Pumpe 3 und der Anordnung 5 eine weitere Kühleinheit 31 angeordnet .
Ein wesentlicher Unterschied ist die Anordnung eines Zusatz- Wärmetauschers 32 zwischen der Anordnung 5 und der Dampfturbine 6 .
Die Figur 2 zeigt eine zum System 1 parallel betriebene Anlage 41 zum Abscheiden und Speichern von Kohlenstof fdioxid . Dabei wird Kohlenstof fdioxid aus einem Rauchgas 42 über eine Leitung 43 zu einer Pumpen- oder Verdichtereinheit 40 geleitet . Dabei liegt der Druck des Kohlenstof fdioxid am Eingang bei ca . 1 bar . In der Pumpen- oder Verdichtereinheit 40 wird der Druck des Kohlenstof fdioxid auf ca . 80 bis 120 bar erhöht . Dabei erhöht sich die Temperatur des Kohlenstof fdioxids . Erfindungsgemäß wird nun die dadurch entstandene thermische Energie über eine Leitung 33 in den Zusatz-Wärmetauscher 32 geführt . Dadurch wird die thermische Energie der in der Anlage 41 entstandenen Abwärme auf das Strömungsmedium in dem System 1 übertragen, wobei diese Übertragung im Zusatz-Wärmetauscher 32 erfolgt .
Das im Zusatz-Wärmetauscher 32 abgekühlte Kohlenstof fdioxid wird anschließend über eine Leitung 44 in eine Speichermöglichkeit 45 (unterirdische Kavernen oder ähnliches ) geführt .
Dies führt dazu, dass ein größeres Enthalpiegefälle in der Dampfturbine 6 zur Verfügung steht und die Leistung des Kraftwerks steigt .
Das Strömungsmedium ist CO2 insbesondere SCO2 .
Der in der Figur 2 gezeigte Kreislauf 1 kann in einer geothermischen Anwendung eingesetzt werden . Dazu wird die Anordnung 5 nicht als separates Bauteil ausgeführt , sondern die in tiefen Schichten der Erde vorhandene Erdwärme ausgenutzt . An einer ersten Stelle 11 im Kreislauf 1 , der vor dem ursprünglichen Erzeuger 5 liegt , wird eine Leitung 12 in ein Reservoir im Erdinneren (nicht dargestellt ) ausgebildet . Das im wesentlichen kalte Strömungsmedium wird im Reservoir durch Erdwärme soweit erwärmt , dass das Strömungsmedium einen Phasenwechsel vom flüssigen Zustand in einen gas förmigen Zustand durchführt . Anschließend gelangt das gas förmige Strömungsmedium über eine Zuleitung 13 wieder in den auf der Erdoberfläche befindlichen Kreislauf , wobei das Strömungsmedium zur Dampfturbine 6 geführt wird . Obwohl durch die Dampfturbine 6 als Aus führungs form einer Strömungsmaschine streng genommen nicht mit Dampf sondern mit CO2 , insbesondere S CO2 betrieben wird, wird hier von Dampfturbine 6 oder CO2 - Expander gesprochen . Die Dampfturbine 6 oder der C02-Expander wandelt die thermische Energie des Strömungsmediums in mechanische Energie , wodurch ein Generator angetrieben werden kann, der wiederum elektrische Energie erzeugt .
Die Figur 3 zeigt ein T-S-Diagramm des obigen Kreislaufs 1 .
Die Buchstaben A bis J beziehen sich auf die Punkte A bis J der Figur 2 . Auf der Y-Achse ist die Temperatur des Strömungsmediums dargestellt . Auf der X-Achse die Entropie des Strömungsmediums .
Beginnend mit dem Punkt A wird das Strömungsmedium in der Pumpe 3 bei gleichbleibender Temperatur auf einen höheren Druck gebracht : Schritt A B . Im Schritt B C wird das Strömungsmedium in der weiteren Kühleinheit 31 abgekühlt . Die Temperatur und die Entropie des Strömungsmediums sinkt dabei . Im anschließenden Schritt C D gelangt das Strömungsmedium in die Inj ektionsbohrung 35 , wobei sich die Temperatur des Strömungsmediums entlang der Ink ektionsbohrung 35 erhöht bis zum Punkt D .
Das Strömungsmedium wird durch die Anordnung 5 , das ein geothermisches Reservoir mit einer hohen thermischen Energie sein kein, erwärmt , wobei sich gleichzeitig die Entropie erhöht . In der anschließenden Produktionsbohrung 36 gelangt das Strömungsmedium zu einem Zusatz-Wärmetauscher 32 . Die Temperatur des Strömungsmediums sinkt dabei . Im Zusatz- Wärmetauscher 32 wird die thermische Energiedazu verwendet , die Temeperatur und die Entropie des Strömungsmediums weiter zu erhöhen : Schritt F G . In der Dampfturbine 6 wird schließlich die thermische Energie des Strömungsmediums in mechanische Energie umgewandelt . Die Temperatur, der Druck und die Entropie sinken hierbei : Schritt G H .
Im anschließenden Schritt H I wird das Strömungsmedium in einer Wärmeeinheit 30 abgekühlt . Im Kondensator 4 kondensiert das Strömungsmedium : Schritt I J . Um die Pumpenleistung zu reduzieren, wird das Strömungsmedium auf dem Weg zur Pumpe 3 in einer Kühleinheit 7 noch weiter abgekühlt : Schritt J A.
Obwohl die Erfindung im Detail durch das bevorzugte Ausführungsbeispiel näher illustriert und beschrieben wurde , so ist die Erfindung nicht durch die of fenbarten Beispiele eingeschränkt und andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen .

Claims

Patentansprüche
1. System (1) umfassend eine Pumpe (3) zum Befördern eines Strömungsmediums, eine Anordnung (5) zum Umwandeln des Strömungsmediums von einem flüssigen in einen gasförmigen Zustand, eine Strömungsmaschine (6) zum Umwandeln der thermischen Energie des Strömungsmediums in mechanische Energie, einen Kondensator (4) zum Kondensieren des gasförmigen Strömungsmediums in einen flüssigen Zustand, gekennzeichnet mit einem Zusatz-Wärmetauscher (32) , der zwischen der Anordnung (5) und der Strömungsmaschine (6) angeordnet ist, wobei der Zusatz-Wärmetauscher (32) zum Erhöhen der Temperatur des Strömungsmediums ausgebildet ist, wobei die Erhöhung der Temperatur des Strömungsmediums im Zusatz-Wärmetauscher (32) durch die thermische Energie der Abwärme aus einem Verdichtungs- oder Verflüssigungsprozess in einer Anlage (41) zum Abscheiden und Speichern von Kohlenstof fdioxid stammt.
2. System nach Anspruch 1, ferner mit einer Kühlungseinheit (7) , die zum Abkühlen des flüssigen Strömungsmediums ausgebildet ist, wobei die Kühlungseinheit (7) als Wärmetauscher ausgebildet ist .
3. System nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Kondensator (4) mit der Pumpe (3) strömungstechnisch verbunden ist und die Kühlungseinheit (7) zwischen dem Kondensator (4) und der Pumpe (3) angeordnet ist .
4. System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Anordnung (5) ein Erzeuger ist, der Kohlendioxid durch Verbrennung von Brennmitteln vom flüssigen in den gasförmigen Zustand umwandelt.
5. System nach Anspruch 1 bis 3, wobei die Anordnung (5) ein Reservoir in einer geodätischen Erdschicht darstellt, wobei durch Erdwärme das im Reservoir angeordnete Kohlendioxid vom flüssigen in den gasförmigen Zustand umgewandelt wird.
6. System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Strömungsmaschine (6) als Dampfturbine oder CO2- Expander ausgebildet ist.
7. System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Strömungsmaschine (6) mit dem Kondensator (4) strömungstechnisch verbunden ist und zwischen dem Kondensator (4) und der Strömungsmaschine (6) eine weitere Kühlungseinheit angeordnet ist, wobei in der weiteren Kühlungseinheit das gasförmige Strömungsmedium abgekühlt wird.
8. System nach Anspruch 7, wobei die weitere Kühlungseinheit als Wärmetauscher ausgebildet ist.
9. System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Kühlungseinheit (7) , der Kondensator (4) und die weitere Kühlungseinheit in einem Gehäuse (17) angeordnet sind .
10. System nach einem der Ansprüche 6, 7, 8 oder 9, wobei ein Kühlmedium zunächst durch die Kühlungseinheit (7) , dann durch den Kondensator (4) und anschließend durch die weitere Kühlungseinheit strömt.
11. System nach einem der Ansprüche 6, 7, 8 oder 9, wobei ein Kühlmedium parallel durch die Kühlungseinheit (7) , den Kondensator (4) und die weitere Kühlungseinheit strömt.
12. System nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei die Kühlungseinheit (7) , der Kondensator (4) und die weitere Kühlungseinheit in getrennten Gehäusen angeordnet sind .
13. System nach Anspruch 12, wobei ein Kühlmedium zunächst durch die Kühlungseinheit (7) , dann durch den Kondensator (4) und anschließend durch die weitere Kühlungseinheit strömt.
14. System nach Anspruch 12, wobei ein Kühlmedium parallel durch die Kühlungseinheit (7) , den Kondensator (4) und die weitere Kühlungseinheit strömt.
15. Verfahren zum Betreiben eines Systems ausgebildet nach einem der Ansprüche 1 bis 14, bei dem ein Strömungsmedium im flüssigen Zustand mit einer Pumpe (3) zu einer Anordnung (5) befördert wird, wobei in der Anordnung (5) das Strömungsmedium vom flüssigen in einen gasförmigen Zustand umgewandelt wird, wobei das gasförmige Strömungsmedium in eine Strömungsmaschine (6) geführt wird, wo die thermische Energie des Strömungsmediums in mechanische Energie umgewandelt wird, wobei nach der Strömungsmaschine (6) das Strömungsmedium in einem Kondensator (4) wieder in den flüssigen Zustand umgewandelt wird, wobei zwischen der Anordnung (5) und der Strömungsmaschine
(6) ein Zusatz-Wärmetauscher (32) angeordnet wird, wobei die Erhöhung der Temperatur des Strömungsmediums im Zusatz- Wärmetauscher (32) durch die thermische Energie der Abwärme durch einen Verdichtungs- oder Verflüssigungsprozesses aus einer Anlage (41) zum Abscheiden und Speichern von Kohlenstof fdioxid stammt.
16. Verfahren nach Anspruch 15, wobei nach dem Kondensator (4) die Temperatur des Strömungsmediums mit einer Kühlungseinheit (7) verringert wird bevor das Strömungsmedium wieder zur Pumpe (3) geführt wird, wobei das Strömungsmedium bevor es in den Kondensator (4) strömt in einer weiteren Kühlungseinheit gekühlt wird.
17. Verfahren nach Anspruch 15 oder 16, bei dem das Strömungsmedium nach der Pumpe (3) in ein Reservoir in der Erde geleitet wird und durch Erdwärme derart erwärmt wird, dass das Strömungsmedium einen Phasenwechsel von flüssig nach gasförmig durchführt und anschließend das gasförmige Strömungsmedium aus der Erde zu Strömungsmaschine (6) geleitet wird.
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