NL1037581C2

NL1037581C2 - ENERGY RECOVERY FROM LOW-WORTH HEAT.

Info

Publication number: NL1037581C2
Application number: NL1037581A
Authority: NL
Inventors: Gerrit Oudakker; Mateo Jozef Jacques Mayer
Original assignee: Tetradon B V; Cooperatieve Vereniging Easy Measure U A
Priority date: 2009-12-22
Filing date: 2009-12-22
Publication date: 2012-08-28
Also published as: NL1037581A

Description

Energiewinning uit laagwaardige warmte.Energy extraction from low-grade heat.

Het is algemeen bekend dat bij de opwekking van energie uit fossiele brandstoffen slechts een deel van de verbrandingswarmte omgezet wordt 5 in nuttige energie terwijl de rest als warmte ongebruikt verdwijnt in het milieu. Ditzelfde geldt voor zowel kernenergie als voor allerhande industriële processen zoals zout productie, hoogovens, raffinaarderijen enz.It is generally known that when generating energy from fossil fuels, only a part of the combustion heat is converted into useful energy, while the rest disappears into the environment as unused heat. The same applies to both nuclear energy and all kinds of industrial processes such as salt production, blast furnaces, refineries, etc.

Met de huidige stand der techniek blijft veelal een restwarmte stroom 10 over van rond 60 graden celsius.With the current state of the art, a residual heat stream of around 60 degrees Celsius often remains.

De onderhavige uitvinding biedt een methode om deze restwarmte nuttig aan te wenden door als een soort naverbrander hier nog aanvullende energie uit terug te winnen, bijvoorbeeld elektrische energie.The present invention provides a method for utilizing this residual heat in a useful manner by reclaiming additional energy from it, such as electrical energy, as a kind of afterburner.

1515

Het principe betreft de benutting van het druk verschil van een superkritische vloeistof cq gas bij verschillende temperaturen. Als voorbeeld kan dienen superkritisch C02 dat bij een temperatuur van 25° C een druk heeft van 65 bar en bij een tempertuur van 55° C een druk van 20 100 bar. Door nu afwisselend met behulp van afvalwarmte uit een proces een vat gevuld met superkritisch C02 te verwarmen en met koelwater een ander vat eveneens gevuld met superkritisch C02 te koelen zal er in het ene vat een druk ontstaan van 65 bar en in het ander een druk van 100 bar. De bovengenoemde vaten zijn gedeeltelijk gevuld met water.The principle concerns the utilization of the pressure difference of a supercritical liquid or gas at different temperatures. An example is supercritical CO2 that has a pressure of 65 bar at a temperature of 25 ° C and a pressure of 100 bar at a temperature of 55 ° C. By now heating a vessel filled with supercritical CO2 and alternatively using waste heat from a process and cooling another vessel also filled with supercritical CO2, a pressure of 65 bar will arise in one vessel and a pressure of 100 bar. The above vessels are partially filled with water.

25 Bovendien zijn de vaten onderling met elkaar verbonden door een leiding waarin een waterkracht turbine is opgenomen. Door het bovengenoemde drukverschil van 100-65=35 bar zal er via deze turbine energie uit de volume stroom gewonnen kunnen worden. Er wordt aldoende energie opgewekt vergelijkend met een waterkrachtscentrale met een water 1037581 2 hoogte verschil van 350 m. Nadat de uitwisseling van water plaatsgevonden heeft in de ene richting zullen de respectievelijke warm-cq koelwaterstromen omgekeerd worden en herhaalt het proces zich in omgekeerde richting. De turbine zal dubbelwerkend dienen te zijn, hetzij 5 direct dan wel via een afsluiter- en leidingconfiguratie als bekend bij de vakman.Moreover, the vessels are mutually connected by a conduit in which a hydropower turbine is included. Due to the above-mentioned pressure difference of 100-65 = 35 bar, it will be possible to extract energy from the volume stream via this turbine. Energy is always generated in comparison with a hydroelectric power station with a water difference of 3,775,181 height difference of 350 m. After the exchange of water has taken place in one direction, the respective hot or cooling water flows will be reversed and the process will be repeated in the opposite direction. The turbine will have to be double-acting, either directly or via a valve and pipe configuration as known to the person skilled in the art.

Aan de hand van bijgesloten figuren zal het proces schematisch nader beschreven worden.The process will be further described schematically on the basis of the enclosed figures.

10 In figuur 1 is als (1) aangegeven een drukvat al dan niet thermisch geïsoleerd. Dit vat is gedeeltelijk gevuld met water (2) en daarboven met gas (3), bijvoorbeeld superkritisch C02. De water en gas laag is gescheiden door een afsluitende drijvende voorziening (4). Het bovenste deel van het vat is voorzien van een leiding als warmtewisselaar (5) die 15 met water gevoed wordt via een leiding (6) en afgevoerd wordt via (7). Een tweede drukvat (8) is identiek aan het hiervoor beschreven drukvat (1) met dien verstande dat de scheidingsvoorziening (9) zich in de laagste stand bevindt.In figure 1 a pressure vessel is indicated as (1), whether or not thermally insulated. This vessel is partially filled with water (2) and above that with gas (3), for example supercritical CO2. The water and gas layer is separated by a closing floating provision (4). The upper part of the vessel is provided with a pipe as a heat exchanger (5), which is fed with water via a pipe (6) and discharged via (7). A second pressure vessel (8) is identical to the pressure vessel (1) described above with the proviso that the separating device (9) is in the lowest position.

De twee drukvaten zijn aan de onderzijde verbonden met een leiding(lO) 20 waarvan de waterstroom geopend dan wel gesloten kan worden met afsluiter (11). De in de leiding aangebrachte waterkracht turbine (12) wekt elektrische stroom op uit het druk verschil tuusen de twee vaten. De scheidingsvoorzieningen (4) en (9) vervullen een soortgelijke rol als de zuigers in een verbrandingsmoter. In figuur (1) is een situatie 25 weergegeven aan het einde van een arbeidsslag waarbij leiding (13) gevoed werd met warm water en leiding(6) met koelwater. Om nu over tegaan tot een volgende arbeidsslag worden de genoemde waterstromen gewisseld.The two pressure vessels are connected at the bottom with a pipe (10) whose water flow can be opened or closed with valve (11). The hydropower turbine (12) arranged in the conduit generates electric current from the pressure difference between the two vessels. The separation devices (4) and (9) play a similar role to the pistons in a combustion engine. Figure (1) shows a situation at the end of a work cycle in which line (13) was fed with hot water and line (6) with cooling water. In order to proceed to the next work, the aforementioned water flows are exchanged.

Als alternatief voor een directe koppeling van de waterkrachtturbine aan 3 een generator kan gekozen worden om waterkrachtturbine te koppelen aan een pomp, waarmee water op een hoger niveau gepompt kan worden in een reservoir. Dit hooggelegen reservoir kan men dan via conventionele waterkrachtturbine laten leeg lopen om aldus een 5 gestabiliseerde elektriciteits productie te verkrijgen. Met deze methode kunnen meerdere sets van drukvaten gekoppeld worden en aldus modulair de capaciteit vergroot worden.As an alternative to a direct coupling of the hydropower turbine to a generator, it is possible to choose to connect hydropower turbine to a pump, with which water can be pumped into a reservoir at a higher level. This high-lying reservoir can then be drained via a conventional hydropower turbine so as to obtain a stabilized electricity production. With this method, multiple sets of pressure vessels can be coupled and thus the capacity can be increased modularly.

Het principe van de beschreven methode kan behalve voor C02 toegepast 10 worden voor andersoortige gassen al dan niet superkritisch. Bovendien is het mogelijk om de verkregen drukverschillen aan te wenden voor hydraulische drukopbouw voor bijvoorbeeld hydromotoren. Verder kan in plaats van water een andere vloeistof gekozen worden voor bijvoorbeeld directe koppeling aan een hydromotor al dan niet via een 15 stabiliserend reservoir.The principle of the method described can be used, apart from for CO2, for other types of gases, whether supercritical or not. Moreover, it is possible to use the resulting pressure differences for hydraulic pressure build-up for, for example, hydromotors. Furthermore, instead of water, a different liquid can be chosen for, for example, direct coupling to a hydromotor, whether or not via a stabilizing reservoir.

In figuur 2 wordt het proces beschreven om met bovengenoemde aangepaste methode zeewater te ontzilten via de bij de vakman bekende methode van omgekeerde osmose. Kermerk hierbij is dat een 20 zoutwaterstroom onder hoge druk verkregen wordt. In plaats van een tubine wordt nu een omgekeerde osmose module (14) toegepast. Met een bij de vakman bekende methode zal georgd worden dat de waterstroom door de module altijd dezelfde kant uit is. Aan het einde van de arbeidsslag als hier getekend zal zich in vat (1) ontzilt zeewater bevinden 25 en in vat (8) brine. Teneinde de volgende arbeidsslag voor te bereiden zullen drijflichamen mechanisch gefixeerd worden als schematisch weergegeven met een dikke pijl. De compartimenten kunnen nu leeggepompt worden met dien verstande dat eerst in vat (8) de brine weggepompt wordt en de ruimte gevuld wordt met zoetwater uit vat (1).Figure 2 describes the process of desalinating seawater using the above-mentioned modified method via the reverse osmosis method known to the person skilled in the art. The characteristic here is that a salt water stream is obtained under high pressure. A reverse osmosis module (14) is now used instead of a tubine. A method known to those skilled in the art will ensure that the water flow through the module is always in the same direction. At the end of the work stroke as drawn here, there will be desalinated seawater in vessel (1) and brine in vessel (8). In order to prepare the next work stroke, floating bodies will be mechanically fixed as shown schematically with a thick arrow. The compartments can now be pumped empty with the proviso that first in vessel (8) the brine is pumped away and the space is filled with fresh water from vessel (1).

44

Het overige water uit vat (10) kan nuttig gebruikt worden, waarna vat gevuld wordt met zeewater. Hierna begint de cyclus opnieuw nadat de fïxering ontgrendeld is.The remaining water from vessel (10) can be used effectively, after which vessel is filled with seawater. After this, the cycle starts again after the fixation has been unlocked.

5 Behalve de omschreven energiebron uit restwarmte kan tevens in voorkomende gevallen zonne warmte dan wel laagwaardige aardwarmte gebruikt worden.In addition to the described energy source from residual heat, solar heat or low-value geothermal heat may also be used in some cases.

Het is de vakman duidelijk dat de technologie volgens onderhavige 10 vinding uitermate geschikt is om te worden toegepast in afgelegen gebieden, bijvoorbeeld in een woestijn. In een woestijn is de temperatuur van het aardoppervlak over dag zeer hoog ten opzichte van de temperatuur enkele meters onder het aardoppervlak. Door de warmtewisselaar met hoge temperatuur te verwarmen met zonne-energie 15 en door de warmtewisselaar met lage temperatuur enkele meters onder het aardoppervlak te plaatsen wordt met de technologie volgens onderhavige vinding een zeer efficiënte generator verkregen. 's-Nachts is de situatie omgekeerd: de emperatuur van het aardoppervlak is dan rond het vriespunt en enkele meters onder de grond is de temperatuur 20 aanzienlijk hoger. Ook in dit geval kan de technologie volgens onderhavige vinding met succes worden toegepast.It is clear to the skilled person that the technology according to the present invention is extremely suitable for use in remote areas, for example in a desert. In a desert, the temperature of the earth's surface during the day is very high compared to the temperature a few meters below the surface of the earth. By heating the high-temperature heat exchanger with solar energy and by placing the low-temperature heat exchanger a few meters below the earth's surface, a highly efficient generator is obtained with the technology according to the present invention. The situation is reversed at night: the temperature of the earth's surface is then around freezing and a few meters below ground the temperature is considerably higher. In this case too, the technology according to the present invention can be successfully applied.

Als niet limiterende voorbeelden van (superkritische) gassen die in combinatie met onderhavige vinding kunnen worden toegepast wordt 25 genoemd: alkanen of mengsels van alkanen zoals aardgas, ethaan, propaan, butaan, alkoxyalkanen waaronder dimethylether, ethoxyethaan of mengsels van alkoxyalkanen, alcoholen waaronder methanol en ethanol of mengsels van alcoholen, ammoniak, sterke zuren waaronder zoutzuur, zwavelzuur, zwakke zuren waaronder koolzuur (H2C03) en 5 mierezmir (HCOOH) of mengsels van een of meerdere van de in de opsomming genoemde stoffen of groepen van stoffen.As non-limiting examples of (supercritical) gases that can be used in combination with the present invention, there are mentioned: alkanes or mixtures of alkanes such as natural gas, ethane, propane, butane, alkoxyalkanes including dimethyl ether, ethoxyethane or mixtures of alkoxyalkanes, alcohols including methanol and ethanol or mixtures of alcohols, ammonia, strong acids including hydrochloric acid, sulfuric acid, weak acids including carbonic acid (H2CO3) and mierezmir (HCOOH) or mixtures of one or more of the substances or groups of substances mentioned in the list.

Tot slot wordt opgemerkt dat de technologie volgens onderhavige vinding uitermate geschikt is om de energie-effïciency te verhogen van 5 zoutfabrieken en chloorfabrieken en afvalverbrandingsinstallaties voor huisvuil en warmte-krachtcentrales waaronder kolencentrales en kernenergiecentrales.Finally, it is noted that the technology according to the present invention is extremely suitable for increasing the energy efficiency of salt factories and chlorine factories and waste incineration plants for household waste and combined heat and power plants, including coal-fired plants and nuclear power plants.

10 15 20 25 103758110 15 20 25 1037581

Claims

Device for generating energy from low-grade heat characterized by 5. a first pressure vessel containing • at least a first heat exchanger and • at least a first (supercritical) gas and • at least a first liquid (mixture) and • at least a first piston, characterized in that 10. this piston keeps the first gas (mixture) and the first liquid (mixture) separate from each other and wherein the first piston is movable under the influence of pressure differences along the axis of the pressure vessel • a turbine which is operatively connected to the first liquid (mixture) in the first pressure vessel and is also operatively connected to at least a second pressure vessel, said second pressure vessel • containing at least one second heat exchanger and • at least one second (supercritical) gas and 20. at least one second liquid (mixture) and • at least one second piston, characterized in that this piston separates the second gas (mixture) and the second liquid (mixture) ho and wherein the second piston is movable along the axis of the second pressure vessel under the influence of pressure differences

Device according to claim 1, wherein at least one heat exchanger is heated with solar energy.

3. Device as claimed in claim 1, wherein at least one heat exchanger is heated with geothermal heat. 1037581

The device of claim 1 wherein at least one heat exchanger is heated with a liquid or vapor stream that has a temperature of less than eighty degrees Celsius.

Device as claimed in claim 4, wherein the liquid or vapor stream 5 with a temperature lower than eighty degrees Celsius comes from a salt factory and / or a combined heat and power plant and / or a nuclear power plant and / or a coal plant and / or a waste incineration plant for household waste .

6. Device as claimed in any of the foregoing claims, wherein the supercritical gas (mixture) used consists in at least one pressure vessel of carbon dioxide and / or an alkoxyalkane and / or an alkane and / or a strong acid and / or ammonia and / or a weak acid including carbonic acid and / or formic acid.

7. Method for generating electrical energy with a device according to one of the preceding claims 1 to 6, characterized in that the at least a first heat exchanger located in a first pressure vessel and at least a second heat exchanger located in a second pressure vessel includes alternating heating and cooling so that the turbine operatively connected to the first and second pressure vessels is driven by fluid that flows alternately from the first pressure vessel to the second pressure vessel and from the second pressure vessel to the first pressure vessel. 1037581