EP4702222A1 - Verfahren und anordnung zur nutzung von kältepotentialen zur erzeugung elektrischer energie mittels eines orc-kreisprozesses - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Anordnung zur Nutzung von Kältepotentialen zur Erzeugung elektrischer Energie mittels eines ORC- Kreisprozesses mittels eines ORC-Kreisprozesses, insbesondere beim Vorliegen einer Wärmesenke, deren Temperaturgradient wesentlich höher ist als der Temperaturgradient einer Wärmequelle. Es ist daher Aufgabe der Erfindung die Nachteile des Standes der Technik zu beseitigen und ein Verfahren zur Energiegewinnung bereitzustellen, welches Exergieverluste während der Energiegewinnung reduziert und die Anlageneffizienz maximiert. Ferner ist es Aufgabe der Erfindung eine Anordnung zur Durchführung des Verfahrens bereitzustellen. Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt durch die in den Ansprüchen aufgeführten Merkmale.

Description

Verfahren und Anordnung zur Nutzung von Kältepotentialen zur Erzeugung elektrischer Energie mittels eines ORC-Kreisprozesses

Beschreibung

[0001] Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Anordnung zur Nutzung von Kältepotentialen zur Erzeugung elektrischer Energie mittels eines ORC-Kreisprozesses, insbesondere beim Vorliegen einer Wärmesenke, deren Temperaturgradient wesentlich höher ist als der Temperaturgradient einer Wärmequelle.

[0002] Der Organic-Rankine-Cycle (ORC) bezeichnet einen rechtslaufenden Kreisprozess, welcher genutzt wird um Strom aus Niedertemperaturwärme zu erzeugen.

[0003] Er stellt ein Verfahren zum Betrieb von Dampfturbinen dar, wobei diese nicht mit Hilfe von Wasserdampf, sondern einem alternativen Arbeitsmittel angetrieben werden, welches günstigere Verdampfungseigenschaften bei tieferen Temperaturen und Drücken als Wasser besitzt. Zum Einsatz kommen organische Flüssigkeiten, beispielsweise Isobutan, Ethanol oder Toluol.

[0004] Das Verfahren findet Anwendung, wenn das zur Verfügung stehende Temperaturgefälle zwischen Wärmequelle und -senke zu niedrig für den Betrieb einer von Wasserdampf angetriebenen Turbine ist. Das ist z.B. bei der Stromerzeugung mit Hilfe der Geothermie, der Kraft-Wärme-Kopplung und Meereswärmekraftwerken der Fall.

[0005] Der ORC stellt demnach ein Verfahren dar, welcher aus mindestens zwei Kreisläufen besteht. Im ersten Kreislauf nimmt das unter Druck stehende und flüssige Arbeitsmittel über einen Wärmetauscher thermische Energie einer Wärmequelle der Wahl auf und wird verdampft. Der daraus resultierende Dampf entspannt sich in einem Expander und erzeugt damit ein Drehmoment zum Antrieb einer Turbine zur Stromerzeugung mittels einem an die Turbine gekoppelten Generator. Im zweiten Kreislauf wird das gasförmige Arbeitsmittel in einem Kondensator, einem Wärmetauscher, welcher die Wärmesenke der Wahl als Kühlmittel nutzt, abgekühlt, und hierdurch in seinen flüssigen Aggregatzustand überführt. Anschließend wird das flüssige Arbeitsmittel durch eine Pumpe erneut auf Betriebsdruck gebracht und in den Wärmetauscher zurückgeführt. Der Prozess beginnt von Neuem.

[0006] Die Integration weiterer interner Kreisläufe ist möglich. So kann z.B. der entspannte Dampf vor der Kondensation einem dritten Wärmetauscher, einem so genannten Regenerator, zugeführt und somit zur internen Wärmerückgewinnung für den Verdampfungsprozess genutzt werden, wodurch der elektrische Wirkungsgrad gesteigert wird.

[0007] Das während eines ORC-Prozesses verwendete Arbeitsmittel kann sowohl in Reinform, als auch in Form eines Stoffgemisches vorliegen.

[0008] Bei der Nutzung eines Reinstoffes als Arbeitsmittel erfolgt der Phasenwechsel, der Übergang zwischen dem flüssigen und gasförmigen Aggregatzustand, isotherm, das heißt bei gleichbleibender Temperatur.

[0009] Bei der Nutzung eines Stoffgemisches als Arbeitsmittel, kommen so genannte zeotrope Gemische zum Einsatz. Dies sind Gemische, deren Komponenten unterschiedliche Siedepunkte aufweisen. Hierdurch ist der Phasenübergang, im Gegensatz zu Reinstoffen, nicht isotherm. Es tritt bei Kondensation und Verdampfung ein so genannter Temperaturgleit auf, dessen Höhe abhängig von der Gemischzusammensetzung ist.

[0010] Hierbei kann die Gemischzusammensetzung während des ORC- Prozesses angepasst werden, wobei kontinuierliche und diskontinuierliche Systeme zur Anpassung unterschieden werden.

[0011] Bei diskontinuierlichen Systemen ist die Zusammensetzung in der Anlage überall gleich. Bei Änderungen der Betriebssituation wird durch Abtrennen und Speichern eines Teils des Arbeitsmittels die Zusammensetzung angepasst. Die Änderung der Zusammensetzung erfolgt also nur zu bestimmten Zeitpunkten, d.h. diskontinuierlich. Ziel hierbei ist eine Anpassung des Kreisprozesses an Änderungen der Betriebsbedingungen. [0012] Bei kontinuierlichen Systemen herrschen an verschiedenen Stellen in der Anlage verschiedene Zusammensetzungen. Die Anpassung der Zusammensetzung erfolgt kontinuierlich. Ziel ist das Optimieren des Kreisprozesses durch z.B. günstigere Ausnutzung von Wärmequelle und - senke (verringerte exergetische Verluste beim Wärmeübergang) oder das Erreichen günstigerer Druckverhältnisse.

[0013] Die Änderung der Zusammensetzung wird entweder mithilfe eines Separators (passives System) oder mit einer Rektifikationskolonne (aktives System) realisiert.

[0014] Die Problemstellung lässt sich im Temperatur-Entropie-Diagramm (T-s- Diagramm) darstellen, wobei die spezifische Kreisprozessarbeit der durch den ORC-Kreisprozess eingeschlossenen Fläche entspricht. Zum Erreichen einer maximalen Stromausbeute sollte diese so groß wie möglich sein. Die vom ORC-Kreisprozess nicht ausgefüllte Fläche zwischen Wärmequelle und -senke entspricht den Exergieverlusten.

[0015] Ziel des Kreisprozessdesigns ist daher das möglichst vollständige Ausfüllen der Fläche zwischen Wärmequelle und -senke im T-s- Diagramm.

[0016] Wenn für den ORC-Prozess eine Wärmesenke vorliegt, deren Temperaturgradient wesentlich höher ist als der Temperaturgradient der Wärmequelle, so entspricht dies im T-s-Diagramm idealisiert einem rechtwinkligen Dreieck, wobei es sich bei der Hypotenuse um die Wärmesenke handelt.

[0017] Ein Beispiel für das Vorliegen solcher Randbedingungen ist die überkritische Verdampfung von Liquified Natural Gas (im Folgenden LNG oder Flüssigerdgas), mit der Wärmequelle Seewasser. Weitere Beispiele mit Wärmequellen und -senken vergleichbaren Verhaltens sind latente Wärmequellen (Wärmeübergang mit Phasenwechsel, u.a. bei der Kondensation von Wasserdampf), die überkritische Verdampfung von Wärmesenken und die Kombination mehrerer Wärmesenken auf unterschiedlichen Temperaturniveaus in serieller Schaltung (beispielsweise ein gleichzeitiger Niedertemperaturheiz- und Warmwasserbedarf).

[0018] Hierfür beschreibt der Stand der Technik unterschiedliche Anlagenschaltungen.

[0019] US 2013 / 0 174 551 A1 offenbart ein Energieerzeugungssystem mit organischem Rankine-Zyklus, das ein stark gleitendes Arbeitsmedium nutzt. Insbesondere bezieht sich diese Offenbarung auf ein System, das Komponenten eines Arbeitsmediums trennt, um die Wirksamkeit eines Kondensators zu verbessern, den thermischen Wirkungsgrad des Systems zu verbessern und die Kondensatorkosten im Vergleich zu denen des Kondensators zu senken, die für einen ungetrennten Fluss benötigt werden.

[0020] WO 2005/ 031 123 A1 offenbart ein Gerät mit geschlossenem Kreislauf zur Stromgewinnung aus einer Niedertemperatur-Wärmequelle.

[0021] CN 1 03 306 764 A offenbart ein Kalina-Umwälzsystem mit einer zweiphasigen Expansionsmaschine, die eine Heizvorrichtung, eine Trennvorrichtung, Expansionsmaschinen, eine Erzeugungsvorrichtung, eine Absorptions- und Kühlvorrichtung und eine Verstärkungsvorrichtung umfasst.

[0022] KIM, Kyeongsu [et al.]: Design and optimization of cascade organic Rankine cycle for recovering cryogenic energy from liquefied natural gas using binary working fluid. In: Energy : the international journal, Vol. 88, 2015, S. 304-313. - ISSN 0360-5442 (P); 1873-6785 (E). DOI: 10.1016/j.energy.2O15.05.047. URL https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0360544215006283/pdf ft?md5=6aa7d1 dceOfOfe3bOd21550065a1 df20&pid=1 -s2.0- S0360544215006283-main.pdf [abgerufen am 2023-10-13] nutzen ein zeotropes Gemisch für einen ORC-Kreislauf mit LNG als Wärmesenke. Nachteilig ist hier der anlagentechnische Aufwand, da diese Veröffentlichung eine Kaskade von drei ORC-Kreisen beinhaltet. Dies geht mit vergleichsweise hohen Investitionskosten einher. Gleichzeitig ist von einer hohen Füllmenge an Arbeitsfluid auszugehen, was ebenfalls einen hohen Kostenfaktor darstellt.

[0023] COLLINGS, Peter ; YU, Zhibin ; WANG, Enhua: A dynamic organic Rankine cycle using a zeotropic mixture as the working fluid with composition tuning to match changing ambient conditions. In: Applied Energy, Vol. 171 , 2016, S. 581-591. - ISSN 0306-2619(P); 1872-9118(E). DOI: 10.1016/j.apenergy.2O16.03.014. URL https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0306261916303257/pdf ft?md5=c6f2db0864cbc6300fed9afbbf36e00e&pid=1- s2.0S0306261916303257-main.pdf [abgerufen am 2023-10 -17] verfolgen die Aufgabe der dynamischen Anpassung der Zusammensetzung des Arbeitsmittels als Reaktion auf jahreszeitlich fluktuierende Bedingungen der Wärmesenke, in diesem Fall Luft. Sie beschreiben eine aktive, diskontinuierliche Anpassung des Arbeitsmittels, wobei die Kolonne jedoch nicht direkt in den ORC-Kreislauf eingebunden, sondern in einem separaten Regelkreis untergebracht ist. Als Ergebnis der Rektifikation können die beiden Gemischkomponenten des Arbeitsmittels getrennt gespeichert und nach Bedarf dem ORC-Prozess zugeführt werden, wobei eine gemeinsame Verdampfung der Komponenten erfolgt.

[0024] In den Veröffentlichungen CN 2 06 233 960 U und CN 2 06 707 782 U wird die Entwicklung einer vereinfachteren Methode zur Anpassung der Zusammensetzung des Arbeitsmittels mittels eines modifizierten Kondensators (liquid separation condenser) offenbart. Sie beschreiben eine passive, diskontinuierliche Anpassung des Arbeitsmittels. Nachteilig hierbei ist, dass der Teilmassenstrom mit höherem Anteil der flüchtigen Komponente direkt in den zweiten Kondensator geführt wird, ohne diesen vorher weiter zu expandieren, sodass ein wesentlicher Teil der Exergie ungenutzt bleibt. [0025] CN 2 09 875 221 II offenbart ein System zur Reduktion der Exergieverluste während des ORC-Prozesses, wobei eine passive, kontinuierliche Anpassung des Arbeitsmittels erfolgt. Die volatilere Gemischkomponente wird nach der Abtrennung durch den Separator nicht zur Stromerzeugung genutzt.

[0026] CN 1 02 797 525 A offenbart eine Anlagenschaltung, bei der eine passive, kontinuierliche Anpassung des Arbeitsmittels erfolgt. Hierbei wird die volatilere Gemischkomponente nach der Abtrennung durch den Separator zur Expansionsmaschine geleitet und anschließend mit der aus dem Separator ausströmenden gesättigten Flüssigkeit gemischt.

[0027] CN 1 09 611 169 A offenbart eine Anlagenschaltung, welche eine voneinander unabhängige Anpassung der Gemischzusammensetzung auf der Hoch- und Niederdruckseite zur Anpassung an Schwankungen der Wärmequelle und -senke erlauben soll.

[0028] ASTOLFI, Marco [et al.]: Cryogenic ORC to enhance the efficiency of LNG regasification terminals. In: Energy Procedia, Vol. 129, 2017, S. 42-49. - ISSN 1876-6102. DOI: 10.1016/j.egypro.2017.09.177. URL: https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1876610217340912/pdf ?md5=a73deObad65f42d9e314c7f57c2671a4&pid=1-s2.0- S1876610217340912mxain.pdf [abgerufen am 2023-10-17] beschreiben einen ORC-Prozess mit der Wärmesenke LNG. Hierbei wird das Arbeitsmittel nach Durchlaufen einer ersten Turbinenstufe in eine flüssige und eine dampfförmige Phase aufgeteilt. Ein Teil der dampfförmigen Phase wird nun in einer zweiten Turbinenstufe erneut entspannt und im Anschluss kondensiert. Die zweistufige Kondensation ermöglicht eine bessere Anpassung des ORC-Kreises an den Temperaturgradienten des LNG und verringert dadurch Exergieverluste. Allerdings erfordert die Anordnung eine Expansion des Arbeitsmittels in den Nassdampf hinein, was zu materialtechnischen Belastungen der Turbine führt (Gefahr von Tropfenerosion). Weiterhin wird als Arbeitsmittel ein Reinstoff verwendet, wodurch der Temperaturverlauf des ORC-Kreisprozesses während der Kondensation nicht so gut wie bei einem zeotropen Gemisch an das Temperaturprofil der Wärmesenke angepasst wird und im Vergleich höhere Exergieverluste auftreten.

Darstellung der Erfindung

[0029] Es ist Aufgabe der Erfindung die Nachteile des Standes der Technik zu beseitigen und ein Verfahren zur Energiegewinnung bereitzustellen, welches Exergieverluste während der Energiegewinnung reduziert und eine Anlageneffizienz maximiert. Ferner ist es Aufgabe der Erfindung eine Anordnung zur Durchführung des Verfahrens bereitzustellen.

[0030] Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt durch die in den Ansprüchen aufgeführten Merkmale.

[0031] Die Lösung der Aufgabe erfolgt durch ein Verfahren zur Energiegewinnung mittels eines ORC-Kreisprozesses, welcher eine Wärmesenke und eine Wärmequelle aufweist, wobei folgende Verfahrensschritte durchlaufen werden: a) Wärmesenkenseitiges Entziehen von Wärme eines Arbeitsfluids x, wobei das Arbeitsfluid x ein zeotropes Gemisch ist und zumindest zwei Gemischkomponenten mit unterschiedlichen Siedepunkten aufweist. Das Arbeitsfluid x liegt mit einer Gemischzusammensetzung xM vor. Das wärmesenkenseitige Entziehen von Wärme erfolgt mittels eines Kondensators KM. Nach dem Passieren des Kondensators KM liegt das Arbeitsfluid x als Nassdampf vor. b) Auftrennen des Arbeitsfluids x mit der Gemischzusammensetzung xM mittels zumindest einer Trennvorrichtung T. Hierbei erfolgt eine Änderung der Gemischzusammensetzung xM in einen ersten Teilstrom A und einen zweiten Teilstrom B. Der erste Teilstrom A weist eine Teilstromzusammensetzung xA, und der zweite Teilstrom B eine Teilstromzusammensetzung xB auf, wobei gilt, dass xA * xM * xB ist. c) Entspannen des ersten Teilstroms A mittels eines ersten Teilstromexpanders EA2 und anschließendes Kondensieren des ersten Teilstroms A mittels eines zweiten Kondensators KA. d) Druckerhöhung der beiden Teilströme A und B mittels Pumpen PA und PB. e) Wärmequellenseitiges Verdampfen der verflüssigten und getrennten Teilströme A und B in Verdampfern VA und VB. f) Expandieren der Teilströme A und B mittels zumindest einem Expander EM. Anschließend erfolgt ein erneutes Zuführen der Teilströme A und B zum Kondensator KM und das Verfahren wird ab Verfahrensschritt a) erneut durchgeführt.

[0032] Teilstrom A weist einen größeren Anteil einer flüchtigeren Gemischkomponente (mit niedrigerem Siedepunkt) des Arbeitsfluids x auf. Teilstrom B weist der größeren Anteil einer weniger flüchtigeren Gemischkomponente (mit höherem Siedepunkt) des Arbeitsfluids x auf.

[0033] Gemäß verschiedener Ausführungsformen liegt nach dem Durchführen des Verfahrensschritts b) der zweite Teilstrom B als flüssige Phase und/oder der erste Teilstrom A als gasförmige Phase vor.

[0034] Gemäß verschiedener Ausführungsformen liegt nach dem Durchführen des Verfahrensschritts c) der erste Teilstrom A als flüssige Phase vor.

[0035] Gemäß verschiedener Ausführungsformen wird als Wärmesenke verflüssigtes Erdgas und/oder verflüssigter Wasserstoff verwendet. Andere Wärmesenken sind denkbar. Ferner denkbar ist eine Kombination mehrerer Wärmesenken auf unterschiedlichen Temperaturniveaus in serieller Schaltung, beispielsweise ein gleichzeitiger Niedertemperaturheiz- und Warmwasserbedarf. Ebenfalls denkbar ist die Nutzung überkritischer Wärmesenken, z.B. die Regasifizierung von verflüssigtem Wasserstoff (LH2) zur Einspeisung in eine Pipeline.

[0036] Gemäß verschiedener Ausführungsformen wird als Wärmequelle Seewasser und/oder Wärme des Erdreichs und/oder Außenluft verwendet. Andere Wärmquellen sind denkbar. So kann beispielsweise Abwärme landwirtschaftlicher und/oder industrieller Prozesse, z.B. einer Biogasanlage, verwendet werden. Ebenfalls können entsprechend temperierte Abgase, beispielsweise aus Kalk- und Zementöfen, als Wärmequelle genutzt werden. Ferner kann Solarthermie genutzt werden. Auch latente Wärmequellen, d.h. Wärmeübergang der Quelle mit Phasenwechsel, z.B. bei Kondensation von Wasserdampf, können genutzt werden.

[0037] Gemäß verschiedener Ausführungsformen weist die zumindest eine Trennvorrichtung T zumindest einen Separator und/oder eine Rektifikationskolonne auf.

[0038] Gemäß verschiedener Ausführungsformen sind der erste Teilstromexpander EA2 und/oder der Expander EM als Turbine ausgebildet, welche einen Generator antreiben, um Strom zu erzeugen. Andere Ausgestaltungen der Entspannungsmaschine(n) sind denkbar, beispielsweise in Form eines Schraubenexpanders und/oder Dampfmotor/Hubkolbenexpanders.

[0039] Die Lösung der Aufgabe erfolgt ferner durch eine Anordnung zur Energiegewinnung, wobei die Anordnung eine Wärmesenke, eine Wärmequelle und einen ORC-Kreislauf aufweist. Der ORC-Kreislauf weist ein Arbeitsfluid x auf, welches ein zeotropes Gemisch ist und zumindest zwei Gemischkomponenten mit unterschiedlichen Siedepunkten aufweist. Das Arbeitsfluid x liegt mit einer Gemischzusammensetzung xM vor. Ferner weist der ORC-Kreislauf einen wärmesenkenseitig angeordneten Kondensator KM und zumindest eine Trennvorrichtung T zum Auftrennen des Arbeitsfluids x in zumindest einen ersten Teilstrom A mit der Zusammensetzung xA und einen zweiten Teilstrom B mit der Zusammensetzung xB auf. Des Weiteren weist der ORC-Kreislauf einen ersten Teilstromexpander EA2 und einen zweiten Kondensator KA zum Verflüssigen des Teilstroms A und zwei Pumpen PA und PB zur Druckerhöhung der beiden Teilströme A und B auf. Darüber hinaus weist der ORC-Kreislauf zwei wärmequellenseitig angeordnete Verdampfer VA und VB zum Verdampfen der Teilströme A und B und zumindest einen Expander EM zum Expandieren der Teilströme A und B auf.

[0040] Gemäß verschiedener Ausführungsformen ist die Wärmesenke ein Reservoir mit verflüssigtem Erdgas oder verflüssigtem Wasserstoff. Andere Wärmesenken sind denkbar. Ferner denkbar ist eine Kombination mehrerer Wärmesenken auf unterschiedlichen Temperaturniveaus in serieller Schaltung, beispielsweise ein gleichzeitiger Niedertemperaturheiz- und Warmwasserbedarf. Ebenfalls denkbar ist die Nutzung überkritischer Wärmesenken, z.B. die Regasifizierung von verflüssigtem Wasserstoff (LH2) zur Einspeisung in eine Pipeline.

[0041] Gemäß verschiedener Ausführungsformen ist die Wärmequelle ein Reservoir mit Seewasser und/oder das Erdreich und/oder Außenluft. Andere Wärmquellen sind denkbar. So kann beispielsweise Abwärme landwirtschaftlicher und/oder industrieller Prozesse, z.B. einer Biogasanlage, verwendet werden. Ebenfalls können entsprechend temperierte Abgase, beispielsweise aus Kalk- und Zementöfen, als Wärmequelle genutzt werden. Ferner kann Solarthermie genutzt werden. Auch latente Wärmequellen, d.h. Wärmeübergang der Quelle mit Phasenwechsel, z.B. bei Kondensation von Wasserdampf, können genutzt werden.

[0042] Gemäß verschiedener Ausführungsformen weist die zumindest eine Trennvorrichtung T zumindest einen Separator und/oder eine Rektifikationskolonne auf.

[0043] Gemäß verschiedener Ausführungsformen ist zumindest einer der Expander EA2/EM als Turbine ausgebildet, welche einen Generator antreibt, um Strom zu erzeugen. Andere Ausgestaltungen der Entspannungsmaschine(n) sind denkbar, beispielsweise in Form eines Schraubenexpanders und/oder Dampfmotor/Hubkolbenexpanders.

[0044] Bei der Betrachtung einer an den Carnot-Prozess angelehnten Anlage (Reinstoff als Arbeitsmittel mit isothermen Phasenwechsel) lässt sich anhand des T-s-Diagramms erkennen, dass sich in Bezug auf die Aufgabe hiermit keine optimalen Ergebnisse erzielen lassen.

[0045] Die Nutzung zeotroper Gemische (nicht-isothermer Phasenwechsel) als Arbeitsmittel eines ORC-Prozesses erscheint insofern vorteilhaft, als das sich der Kreisprozess besser als bei einem Reinstoff an die Temperaturgradienten (Differenz zwischen Ein- und Austrittstemperatur) von Wärmequelle und -senke anpassen lässt. Dies führt zu verringerten Exergieverlusten und somit zu einer höheren Kreisprozesseffizienz. Doch auch bei einem solchen Kreisprozess (z.B. Lorenz-Kreisprozess) treten wesentliche Exergieverluste auf, wobei die Anpassung der Zusammensetzung des Arbeitsmittels die Verluste minimieren kann.

[0046] Das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Anordnung ermöglichen eine effiziente Energiegewinnung mittels eines ORC- Kreisprozesses, insbesondere beim Vorliegen einer Wärmesenke, deren Temperaturgradient wesentlich höher ist als der Temperaturgradient einer Wärmequelle. Hierbei werden, im Vergleich zu konventionellen Verfahren, Exergieverluste minimiert.

[0047] Hierbei ist das Grundkonzept eine Anpassung der Zusammensetzung des zeotropen Arbeitsfluids innerhalb der Anlage, sodass der Temperaturgleit auf der Niederdruckseite möglichst groß und der auf der Hochdruckseite möglichst klein wird. Die Änderung der Gemischzusammensetzung wird mithilfe einer Trennvorrichtung innerhalb der Anlage realisiert. Ferner vorteilhaft an dem erfindungsgemäßen Verfahren ist die zweistufige Expansion des Teilstroms A mittels des Expanders EA, sodass ein größerer Teil der theoretisch nutzbaren Exergie zur Stromerzeugung genutzt werden kann. Ausführung der Erfindung

[0048] Die Erfindung wird anhand eines/mehrerer Ausführungsbeispiels näher erläutert. Hierzu zeigen Figur 1 Anordnung zur Energiegewinnung,

Figur 2 Alternative Anordnung zur Energiegewinnung.

[0049] In der Beschreibung wird auf die beigefügten Zeichnungen Bezug genommen, in denen zur Veranschaulichung spezifische Ausführungsformen gezeigt sind, in denen die erfindungsgemäße Anordnung ausgeübt werden kann. In dieser Hinsicht wird eine Richtungsterminologie wie etwa „oben“, „unten“ usw. mit Bezug auf die Orientierung der beschriebenen Zeichnungen verwendet. Die Richtungsterminologie dient der Veranschaulichung und ist auf keinerlei Weise einschränkend.

[0050] Es versteht sich, dass andere Ausführungsformen benutzt und strukturelle oder logische Änderungen vorgenommen werden können, ohne von dem Schutzumfang der vorliegenden Erfindung abzuweichen. Es versteht sich, dass die Merkmale der hierin beschriebenen verschiedenen beispielhaften Ausführungsformen miteinander kombiniert werden können, sofern nicht spezifisch anders angegeben. Die folgende ausführliche Beschreibung ist deshalb nicht in einschränkendem Sinne aufzufassen, und der Schutzumfang der vorliegenden Erfindung wird durch die angefügten Ansprüche definiert.

[0051] In den Figuren werden identische oder ähnliche Elemente mit identischen Bezugszeichen versehen, soweit dies zweckmäßig ist.

[0052] Die Figur 1 zeigt eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anordnung zur Energiegewinnung mittels eines ORC-Kreisprozesses, insbesondere beim Vorliegen einer Wärmesenke, deren Temperaturgradient wesentlich höher ist als der Temperaturgradient einer Wärmequelle. Die Anordnung weist eine Wärmesenke, eine Wärmequelle und einen ORC-Kreislauf auf. Der ORC-Kreislauf weist ein Arbeitsfluid x auf, welches ein zeotropes Gemisch ist und zumindest zwei Gemischkomponenten mit unterschiedlichen Siedepunkten aufweist. Das Arbeitsfluid x liegt mit einer Gemischzusammensetzung xM vor. Ferner weist der ORC-Kreislauf einen wärmesenkenseitig angeordneten Kondensator KM und zumindest eine Trennvorrichtung T zum Auftrennen des Arbeitsfluids x in zumindest einen ersten Teilstrom A mit der Zusammensetzung xA und einen zweiten Teilstrom B mit der Zusammensetzung xB auf. Des Weiteren weist der ORC-Kreislauf einen ersten Teilstromexpander EA2 und einen zweiten Kondensator KA zum Verflüssigen des Teilstroms A und zwei Pumpen PA und PB zur Druckerhöhung der beiden Teilströme A und B auf. Darüber hinaus weist der ORC-Kreislauf zwei wärmequellenseitig angeordnete Verdampfer VA und VB zum Verdampfen der Teilströme A und B und zumindest einen Expander EM zum Expandieren der Teilströme A und B auf. Hierbei werden die Teilmassenströme A und B nach den Verdampfern VA und VB zusammengeführt und gemeinsam in einem Expander EM expandiert. Vorteil dieser Variante ist die Einsparung eines Expanders.

[0053] Im Kondensator KM wird dem Arbeitsfluid mit der Gemischzusammensetzung xM so viel Wärme entzogen, dass sich der Dampfmassenanteil stark verringert. Nach Verlassen des Kondensators KM tritt das Arbeitsfluid als Nassdampf in die Trennvorrichtung T ein und wird in gesättigte Flüssigkeit mit der Zusammensetzung xB und Sattdampf mit der Zusammensetzung xA aufgeteilt, wobei gilt xA * xM * xB, insbesondere xA > xB. Der Sattdampf mit der Zusammensetzung xA wird dann im ersten Teilstromexpander EA2 nochmals entspannt (handelt es sich bei der Trennvorrichtung um einen Separator, so darf das Arbeitsfluid im Kondensator KM nicht vollständig kondensiert werden, da sonst keine Änderung der Zusammensetzung erfolgt. Wird hingegen eine Kolonne verwendet, ist eine vollständige Kondensation in KM möglich, sodass Flüssigkeit und nicht wie beschrieben Nassdampf in die Trennvorrichtung eintreten kann). Der Sattdampf mit der Gemischzusammensetzung xA wird dann im ersten Teilstromexpander EA2 nochmals entspannt und im Kondensator KA kondensiert. Die beiden nun als Flüssigkeit vorliegenden Massenströme mit den Gemischzusammensetzungen xA und xB werden im Anschluss getrennt voneinander in den Pumpen PA und PB auf einen höheren Druck gebracht, in den Verdampfern VA und VB verdampft und im Expander EM entspannt. Vor oder im Expander EM werden die beiden Teilmassenströme zusammengeführt und es ergibt sich ein Gesamtmassenstrom M des Arbeitsfluids x mit der Gemischzusammensetzung xM.

[0054] Gemäß verschiedener Ausführungsformen ist die Wärmesenke ein Reservoir mit verflüssigtem Erdgas oder verflüssigtem Wasserstoff. Andere Wärmesenken sind denkbar. Ferner denkbar ist eine Kombination mehrerer Wärmesenken auf unterschiedlichen Temperaturniveaus in serieller Schaltung, beispielsweise ein gleichzeitiger Niedertemperaturheiz- und Warmwasserbedarf. Ebenfalls denkbar ist die Nutzung überkritischer Wärmesenken, z.B. die Regasifizierung von verflüssigtem Wasserstoff (LH2) zur Einspeisung in eine Pipeline.

[0055] Gemäß verschiedener Ausführungsformen ist die Wärmequelle ein Reservoir mit Seewasser und/oder das Erdreich und/oder Außenluft. Andere Wärmequellen sind denkbar. So kann beispielsweise Abwärme landwirtschaftlicher und/oder industrieller Prozesse, z.B. einer Biogasanlage, verwendet werden. Ebenfalls können entsprechend temperierte Abgase, beispielsweise aus Kalk- und Zementöfen, als Wärmequelle genutzt werden. Ferner kann Solarthermie genutzt werden. Auch latente Wärmequellen, d.h. Wärmeübergang der Quelle mit Phasenwechsel, z.B. bei Kondensation von Wasserdampf, können genutzt werden.

[0056] Gemäß verschiedener Ausführungsformen weist die zumindest eine Trennvorrichtung T zumindest einen Separator und/oder eine Rektifikationskolonne auf. Eine realisierbare Änderung der Gemischzusammensetzung ist bei einer Kolonne wesentlich höher als bei einem Separator, allerdings muss bei einer Rektifikation Wärme in die Kolonne zugeführt werden, was zu Einbußen in der Gesamteffizienz führt.

[0057] Gemäß verschiedener Ausführungsformen ist zumindest einer der Expander EA2/EM als Turbine ausgebildet, welche einen Generator antreibt, um Strom zu erzeugen. Andere Ausgestaltungen der Entspannungsmaschine(n) sind denkbar, beispielsweise in Form von eines Schraubenexpanders und/oder Dampfmotor/Hubkolbenexpanders.

[0058] Gemäß verschiedener Ausführungsformen weist der Expander EM der Anordnung zur Energiegewinnung einen zweiten Teilstromexpander EA zum Expandieren des Teilstroms A und einen dritten Teilstromexpander EB zum Expandieren des Teilstroms B auf. Die Figur 2 zeigt diese alternative Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anordnung zur Energiegewinnung mittels eines ORC-Kreisprozesses. Hierbei zeigt die Figur 2 einen zweiten Teilstromexpander EA und einen dritten Teilstromexpander EB zum getrennten Expandieren der Teilströme A und B. Hierbei werden die Teilströme A und B erst nach Durchlaufen der Expander wieder zusammengeführt, um dann als Arbeitsfluid x mit der Gemischzusammensetzung xM wieder in den Kondensator KM geleitet zu werden.

Bezugszeichen

A erster Teilstrom A des Arbeitsfluids

B zweiter Teilstrom B des Arbeitsfluids

EA zweiter Teilstromexpander für den ersten Teilstrom A

EA2 erster Teilstromexpander für den ersten Teilstrom A

EB dritter Teilstromexpander für den zweiten Teilstrom B

EM Expander

KA zweiter Kondensator

KM Kondensator

M Gesamtmassenstrom des Arbeitsfluids

PA Pumpe Teilstrom A

PB Pumpern Teilstrom B

T Trennvorrichtung

VA Verdampfer Teilstrom A

VB Verdampfer Teilstrom B x Arbeitsfluid xA Gemischzusammensetzung des ersten Teilstroms A xB Gemischzusammensetzung des zweiten Teilstroms B xM Gemischzusammensetzung des Gesamtmassenstroms

Claims

Ansprüche

1. Verfahren zur Nutzung von Kältepotentialen zur Erzeugung elektrischer Energie mittels eines ORC-Kreisprozesses aufweisend eine Wärmesenke und eine Wärmequelle, aufweisend die folgenden Verfahrensschritte: a) Wärmesenkenseitiges Entziehen von Wärme eines Arbeitsfluids x, welches ein zeotropes Gemisch aufweisend zumindest zwei Gemischkomponenten mit unterschiedlichen Siedepunkten ist und welches mit einer Gemischzusammensetzung xM vorliegt, wobei das wärmesenkenseitige Entziehen von Wärme mittels eines Kondensators KM erfolgt, wobei das Arbeitsfluid x nach Passieren des Kondensators KM als Nassdampf vorliegt, b) Auftrennen des Arbeitsfluids x mit der Gemischzusammensetzung xM mittels zumindest einer Trennvorrichtung T, derart, dass eine Änderung der Gemischzusammensetzung xM derart erfolgt, dass xM aufgetrennt wird in einen ersten Teilstrom A mit einer Teilstromzusammensetzung xA und einen zweiten Teilstrom B mit einer Teilstromzusammensetzung xB, wobei gilt xA * xM * xB, c) Entspannen und anschließendes Kondensieren des ersten Teilstroms A mittels eines ersten Teilstromexpanders EA2 und eines zweiten Kondensators KA, d) Druckerhöhung der beiden Teilströme A und B mittels Pumpen PA und PB, e) Wärmequellenseitiges Verdampfen der getrennten Teilströme A und B in den Verdampfern VA und VB, f) Expandieren der Teilströme A und B mittels zumindest einem Expander EM und anschließendes erneutes Zuführen zum Kondensator KM und erneutes Durchführen des Verfahrens ab Verfahrensschritt a).

2. Verfahren zur Nutzung von Kältepotentialen zur Erzeugung elektrischer Energie mittels eines ORC-Kreisprozesses gemäß Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass nach Durchführen des Verfahrensschritt b) der zweite Teilstrom B als flüssige Phase vorliegt und/oder der erste Teilstrom A als gasförmige Phase vorliegt.

3. Verfahren zur Nutzung von Kältepotentialen zur Erzeugung elektrischer Energie mittels eines ORC-Kreisprozesses gemäß Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass nach Durchführen des Verfahrensschritt c) der erste Teilstrom A als flüssige Phase vorliegt.

4. Verfahren zur Nutzung von Kältepotentialen zur Erzeugung elektrischer Energie mittels eines ORC-Kreisprozesses gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Wärmesenke verflüssigtes Erdgas und/oder verflüssigter Wasserstoff verwendet wird.

5. Verfahren zur Nutzung von Kältepotentialen zur Erzeugung elektrischer Energie mittels eines ORC-Kreisprozesses gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Wärmequelle Seewasser und/oder Wärme des Erdreichs und/oder Außenluft und/oder eine Wärmequelle mit latentem Wärmeübergang verwendet wird.

6. Verfahren zur Nutzung von Kältepotentialen zur Erzeugung elektrischer Energie mittels eines ORC-Kreisprozesses gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest eine Trennvorrichtung T zumindest ein Separator und/oder eine Rektifikationskolonne ist.

7. Verfahren zur Nutzung von Kältepotentialen zur Erzeugung elektrischer Energie mittels eines ORC-Kreisprozesses gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Teilstromexpander EA2 und/oder der Expander EM als Turbine ausgebildet sind, welche einen Generator antreiben, um Strom zu erzeugen.

8. Anordnung zur Nutzung von Kältepotentialen zur Erzeugung elektrischer Energie mittels eines ORC-Kreisprozesses gemäß einem Verfahren nach Anspruch 1 , wobei die Anordnung folgende Komponenten aufweist: eine Wärmesenke und eine Wärmequelle und einen ORC-Kreislauf, wobei der ORC-Kreislauf folgende Komponenten aufweist: ein Arbeitsfluid x, wobei das Arbeitsfluid x ein zeotropes Gemisch aufweisend zumindest zwei Gemischkomponenten mit unterschiedlichen Siedepunkten ist und welches mit einer Gemischzusammensetzung xM vorliegt, einen wärmesenkenseitig angeordneten Kondensator KM, zumindest eine Trennvorrichtung T zum Auftrennen des Arbeitsfluids x in zumindest einen ersten Teilstrom A mit der Zusammensetzung xA und einen zweiten Teilstrom B mit der Zusammensetzung xB, ferner aufweisend einen ersten Teilstromexpander EA2 und einen zweiten Kondensator KA zum Verflüssigen des Teilstroms A, zwei Pumpen PA und PB zur Druckerhöhung der beiden Teilströme A und B, ferner aufweisend zwei wärmequellenseitig angeordnete Verdampfer VA und VB zum Verdampfen der Teilströme A und B, zumindest einen Expander EM zum Expandieren der Teilströme A und B.

9. Anordnung zur Nutzung von Kältepotentialen zur Erzeugung elektrischer Energie mittels eines ORC-Kreisprozesses gemäß Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmesenke ein Reservoir mit verflüssigtem Erdgas oder verflüssigtem Wasserstoff ist.

10. Anordnung zur Nutzung von Kältepotentialen zur Erzeugung elektrischer Energie mittels eines ORC-Kreisprozesses gemäß Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmequelle ein Reservoir mit Seewasser und/oder Wärme des Erdreichs und/oder Außenluft und/oder eine Wärmequelle mit latentem Wärmeübergang ist.

11. Anordnung zur Nutzung von Kältepotentialen zur Erzeugung elektrischer Energie mittels eines ORC-Kreisprozesses gemäß einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest eine Trennvorrichtung T zumindest einen Separator und/oder eine Rektifikationskolonne aufweist.

12. Anordnung zur Nutzung von Kältepotentialen zur Erzeugung elektrischer Energie mittels eines ORC-Kreisprozesses gemäß einem der Ansprüch 8 bis 11 , dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Expander EA2 / EM als Turbine ausgebildet ist, welche einen Generator antreibt, um Strom zu erzeugen.

13. Anordnung zur Nutzung von Kältepotentialen zur Erzeugung elektrischer Energie mittels eines ORC-Kreisprozesses gemäß einem der Ansprüche 8 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Expander EM einen zweiten Teilstromexpander EA zum Expandieren des Teilstroms A und einen dritten Teilstromexpander EB zum Expandieren des Teilstroms B aufweist.