WO2007042215A1 - Verfahren und vorrichtung zur gewinnung von mechanischer oder elektrischer energie aus wärme - Google Patents

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WO2007042215A1
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turbomachine
thermal
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Alf Gundermann
Karl Mrukwia
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Alf Gundermann
Karl Mrukwia
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • Y02E10/40—Solar thermal energy, e.g. solar towers
    • Y02E10/46—Conversion of thermal power into mechanical power, e.g. Rankine, Stirling or solar thermal engines

Definitions

  • the present invention relates to a method for recovering mechanical or electrical energy from heat.
  • the invention relates to a device for carrying out the method.
  • the type of energy production is oil, gas or coal power plants, in which energy stored in chemical compounds is converted into heat, and nuclear power plants in which energy stored in atomic nuclei is converted into heat. A large part of the heat falls as to
  • a power station that is able to use heat at a low temperature level and that can be used, for example, for solar energy is disclosed in DE 101 26 403 A1.
  • the power station comprises a circuit with a high-pressure vessel, a low-pressure vessel, a turbine or piston machine connected between the two pressure vessels and a pressure treatment device.
  • liquid carbon dioxide circulates under high pressure, which drives the turbine or piston engine.
  • the pressure of the liquid carbon dioxide at 10 0 C at 50 atmospheres and at 2O 0 C at 100 atmospheres.
  • the object of the present invention is to provide an improved method and an improved device for recovering mechanical or electrical energy from heat, with which the recovery of mechanical or electrical energy from heat reservoirs with relatively low temperatures and in particular from geothermal energy is possible.
  • the method according to the invention for obtaining mechanical energy from heat comprises the steps:
  • the thermal fluid is selected such that by utilizing a temperature spread with a maximum temperature of not more than 13O 0 C, in particular with a maximum temperature of not more than 60 ° C and preferably a maximum temperature of not more than 30 0 C, a vapor pressure difference of at least 0.5 MPa, preferably at least 1.0 MPa and in particular at least 2.0 MPa.
  • the thermal fluid may be selected such that already at said temperatures and a temperature differential of no more than 5O 0 C, the vapor pressure difference of at least 0.5 MPa, preferably at least 1, 0 MPa and in particular at least 2 MPa can be achieved.
  • thermal fluid are, for example, ammonia (NH 3 ), ethane (C 2 H 6 ), propane (C 3 H 8 ) and in particular carbon dioxide (CO 2 ).
  • NH 3 ammonia
  • ethane C 2 H 6
  • propane C 3 H 8
  • CO 2 carbon dioxide
  • mixtures of the substances mentioned can be used.
  • the heat released when condensing the heat fluid can either be fed back into the circuit, ie together with the Heat of the heat source can be used to evaporate the heat fluid, or serve as heating heat.
  • the heat transfer to the thermal fluid is designed to maximize the pressure increase in the thermal fluid.
  • the turbomachine for example a turbine
  • the turbomachine can be driven.
  • carbon dioxide or ethane is used as a heating fluid
  • the method according to the invention can therefore be used in particular wherever only low temperatures can or should be used for energy production. It is conceivable, for example, to use the waste heat of industrial processes for energy production. In particular, however, the method can be used to obtain mechanical or electrical energy from geothermal energy.
  • a temperature spread of 10 0 C to 2O 0 C is sufficient to drive the turbine.
  • ethane (C 2 He) at 20 0 C has a vapor pressure of about 4 MPa, ie of about 40 atmospheres.
  • Carbon dioxide at 2O 0 C even has a vapor pressure of about 6 MPa, ie 60 atmospheres.
  • the vapor pressures of ethane and carbon dioxide at O 0 C are about 2.5 MPa (ethane), which corresponds to about 25 atmospheres, or about 3.5 MPa (carbon dioxide), which corresponds to about 35 atmospheres.
  • the method according to the invention may comprise the following further steps:
  • the thus configured inventive method makes it possible even at relatively low temperatures in the ground, for example, about 20 0 C, to use the geothermal energy for driving the turbomachine.
  • a refrigerant fluid coming fluids into consideration which at low pressure in a temperature range from 0 ° C to -3O evaporate 0 C, such as ammonia (NH 3), propane (C 3 H 8), butane (C 4 H 10), carbon dioxide ( CO 2 ), etc. Of course, mixtures of these substances can be used.
  • NH 3 ammonia
  • propane C 3 H 8
  • butane C 4 H 10
  • CO 2 carbon dioxide
  • the temperature of the soil in the region of the evaporation chamber is about 20 0 C, so evaporates the refrigerant fluid. Due to the low density of the gaseous refrigerant fluid rises this independently from the evaporation space.
  • the usable temperature spread is 20 0 C and more. In the circuit through which the thermal fluid flows, the heat of condensation of the refrigerant fluid is used to
  • the cooling fluid can be heated by suitable compression before the heat transfer to the thermal fluid even at higher temperatures than the 20 0 C of the soil.
  • suitable compression temperatures of up to 55 0 C in the compressed refrigerant fluid are possible at a temperature of 2O 0 C in the ground.
  • double compression even temperatures of up to about 130 ° C in the compressed refrigerant fluid can be achieved.
  • the high temperatures increase the number of usable as thermal fluid substances.
  • the circuit traversed by the refrigerant fluid represents a so-called compression refrigeration system, which is operated as a heat pump.
  • the mechanical or electrical power of the turbomachine can be regulated via the circulating cooling fluid flow.
  • the method according to the invention can be used, in particular, to drive an electric generator for generating electricity by means of the turbomachine, for example a turbine.
  • the thermal fluid is chosen such that by utilizing a
  • the heat fluid may be chosen so that even at the temperatures mentioned and a temperature spread of not more than 50 0 C the
  • MPa and preferably at least 2 MPa can be achieved.
  • ammonia (NH 3 ), ethane (C 2 H 6 ), propane are suitable as thermal fluid
  • the temperature in the heat fluid is increased, so that the previously liquid heat fluid evaporates, wherein an increase in pressure takes place in the corresponding part of the heat cycle.
  • the heat fluid is recompressed by the compressor and converted into the liquid state to restore the output pressure.
  • the heat generated during compression can be dissipated via a secondary heat circuit, which is coupled to the compressor via a heat exchanger.
  • the transferred in condensing the heat fluid to the secondary heat cycle heat can be recycled to the heat fluid together with the heat of the heat source and thus fed back into the heat cycle.
  • the device according to the invention may in particular be part of a device for obtaining mechanical or electrical energy from geothermal heat as a heat source.
  • a device for obtaining mechanical or electrical energy from geothermal heat as a heat source.
  • Such a device is then additionally equipped with a refrigeration cycle with a circulating refrigerant fluid therein.
  • the refrigeration cycle includes a geothermal probe to be sunk into a well bore into which liquid refrigerant fluid is injected and in which the liquid refrigerant fluid evaporates due to the geothermal heat of the soil surrounding the geothermal probe.
  • the refrigeration cycle includes a heat exchanger in which the vaporous refrigerant fluid condenses and couples the refrigeration cycle with the heat cycle.
  • the refrigeration cycle may also include a compressor connected between the geothermal probe and the heat exchanger.
  • a suitable refrigeration cycle is described, for example, in DE 10 2004 018 480 B3.
  • This configuration allows the use of geothermal energy to generate mechanical or electrical energy even at temperatures in the soil of about 20 ° C. Such temperatures are found almost everywhere in the world at a relatively shallow depth year-round in the ground.
  • the device described is therefore basically used worldwide for energy from geothermal energy.
  • this device may comprise a device for influencing the circulating in the refrigerant circuit cooling fluid flow. By regulating the cold fluid mass flow, the mechanical or electrical power of the system can then be controlled.
  • the at least one heat circuit comprises a pressure build-up space upstream of the turbomachine in the flow direction, in which the heat exchanger is arranged. Downstream of the turbomachine is a reservoir in which the recompressed thermal fluid is collected. The reservoir is connected to the pressure build-up space via a fluid line in which a valve, eg. a check valve is arranged such that a flow is prevented from the pressure build-up space in the reservoir, bypassing the turbomachine.
  • a valve eg. a check valve
  • the pressure build-up space is used to build up the pressure necessary for operating, for example, a turbine as a turbomachine.
  • heat is transferred from the heat source to the thermal fluid, which evaporates due to the heating in the pressure build-up space and experiences an increase in pressure.
  • the high pressure thermal fluid flows through the turbine, working in the turbine under relaxation and cooling. Because the turbine rotates further due to inertia, when the pressure in the pressure build-up space is no longer sufficient to drive the turbine, it still acts for a while as a pump which pumps heat fluid out of the pressure build-up space.
  • the relaxed and cooled thermal fluid is condensed, condensing again, and finally collected in the reservoir.
  • the valve is opened in the fluid line, so that the recompressed heat fluid flows from the reservoir via the fluid line into the pressure build-up space.
  • the heat fluid fed back into the pressure build-up space via the fluid line is then available for renewed heating and pressure increase.
  • the turbine alternately passes through phases in which it is driven by the thermal fluid and phases in which heat fluid from the reservoir is fed back into the pressure build-up space and evaporated in the pressure build-up space.
  • heat circuits are coupled to the heat source via heat exchangers, and these heat circuits each comprise a pressure build-up space, a reservoir and, for example, a turbine as turbomachine, it is possible to control the phases of the pressure build-up in the pressure build-up spaces of the individual circuits out of phase with each other. In this way, the generation of mechanical energy can be made uniform by the device according to the invention.
  • the Controlling the phases can be done in the presence of a refrigeration cycle, for example. By means of control valves in the refrigeration cycle, which enable the supply of refrigerant fluid to the individual heat exchangers phase-shifted and interrupt.
  • the turbomachine When electrical energy is to be generated with the device according to the invention, the turbomachine is coupled to at least one electric generator in order to drive it.
  • the device according to the invention it is possible to associate with the refrigeration cycle a further heat cycle, which is not used for driving the turbine, but for heating a device, for example a machine or a building.
  • the heat transferred to the associated secondary heat cycle when the heat fluid condenses in a compressor can also be used as heating heat, instead of returning it to the heat cycle via the pressure buildup container.
  • This embodiment can be useful and advantageous, in particular, if the device is to be suitable for end users who, for example, want to supply a building both with electricity and with heat.
  • FIG. 1 shows a circuit diagram for a device according to the invention for obtaining mechanical or electrical energy from geothermal energy.
  • Figure 2 shows a geothermal probe, as they can be used in the device according to the invention, in a schematic representation.
  • FIG. 3 shows the vapor pressure curves of various fluids.
  • An exemplary embodiment of the device according to the invention for extracting mechanical energy from geothermal energy is shown in FIG.
  • the device shown comprises a refrigeration cycle 1 and three heat exchangers 100, 200, 300 coupled to the refrigeration cycle 1 via heat exchangers 3, 5, 7.
  • the refrigeration cycle 1 comprises a geothermal probe 9, the three heat exchangers 3, 5, 7 and a compressor 11.
  • the three heat exchangers 3, 5, 7 are arranged in separate branches of the refrigeration circuit 1, which are individually locked by means of controllable shut-off valves 13a, 13b, 13c can be released.
  • In the refrigeration cycle 1 circulates a refrigerant fluid, which serves to absorb geothermal heat in the geothermal probe 9, to transport to the heat exchangers 3, 5, 7 and deliver it to a circulating in the respective heat cycle 100, 200, 300 thermal fluid.
  • the refrigerant fluid undergoes two phase transitions, namely, once a phase transition from liquid to gaseous in the geothermal probe and once a back conversion from the gaseous to the liquid state, which takes place in the heat exchangers.
  • the geothermal probe 9 is sunk in a well, which only needs to have a small depth in the range between 100 m and 1000 m. At these depths, the geothermal energy is already high enough to be able to operate the device according to the invention meaningfully.
  • the geothermal probe 9 comprises an annular space 14 which serves to guide the liquid refrigerant fluid 15 to an evaporation space 17.
  • the annular space 14 is essentially formed by the intermediate space between an outer tube 12 and a riser 16 of the geothermal probe 9.
  • the liquid refrigerant fluid 15 flows mainly on the inner wall of the Outer tube 12 to the evaporation chamber 17.
  • its pressure is adjusted with the entry into the evaporation chamber 17 according to its thermodynamic vapor pressure curve with respect to the temperature prevailing in the evaporation chamber 17.
  • a throttle valve 18 is used at the transition between the annular space 14 and the evaporation chamber 17 for adjusting the pressure.
  • the throttle valve 18 reduces the hydrostatic pressure of the liquid refrigerant fluid 15 in the annulus to evaporation level, so that it evaporates in the evaporation chamber 17 while absorbing heat from the surrounding soil 20.
  • the now gaseous refrigerant fluid 19 rises through the central riser 16 upwards.
  • the riser 16 has a sufficient flow cross-section and is thermally insulated from the annular space 14.
  • the ascended gaseous heat fluid 19 is compressed in the compressor 11.
  • By compressing the condensation temperature of the gaseous heat fluid 19 is raised so far that it condenses in the heat exchangers 3, 5, 7 and transmits the resulting heat of condensation to the circulating in the corresponding heat cycle thermal fluid.
  • liquid refrigerant fluid 15 is then returned to the annular space 14, where it flows due to gravity on the inner wall of the outer tube 12 to the evaporation chamber 17.
  • Suitable refrigeration fluids for circulating in the refrigeration cycle 1 are, for example, carbon dioxide, propane, butane, ammonia, etc.
  • geothermal probe is only an example of a suitable geothermal probe.
  • Other geothermal probes can also be used in the refrigeration cycle 1, as long as they can build a heat pump to be operated condensation refrigeration system.
  • the heat cycle 100 which is coupled via the heat exchanger 3 to the refrigeration cycle 1, represents a conventional heating circuit, for example, for heating a building or a machine and will not be further explained at this point.
  • the heat cycle 200 which is coupled via the heat exchanger 5 to the refrigeration cycle 1, serves to obtain mechanical energy from the geothermal energy stored in the gaseous refrigerant fluid 15.
  • the heat cycle 200 comprises a pressure vessel 201 as a pressure build-up space in which the heat exchanger 5 is arranged, a turbine 22, a two-stage compressor 204a, 204b and a reservoir 205.
  • the turbine 22 is fluidly behind the pressure vessel 201 but before the compressor stages 204a, 204b arranged.
  • a fluid line 207 is provided with a valve 209 disposed therein.
  • valves 211, 213 and 215 By means of further valves 211, 213 and 215, the flow of the thermal fluid between the pressure vessel 201 and the turbine 22, between the compressor 204a, 204b and the reservoir 205 and between the turbine 22 and the compressor 204a, 204b can be prevented.
  • the thermal fluid in the pressure vessel 201 is selected so that it evaporates when the heat of condensation of the refrigerant fluid is absorbed, thereby experiencing a large pressure increase in the pressure vessel 201.
  • carbon dioxide is used as heat fluid, but in principle other fluids are also suitable, as long as they allow sufficient pressure increase in the relevant temperature range.
  • ammonia, ethane and propane may be mentioned as further possible thermal fluids.
  • the closed during the heating valve 211 between the pressure vessel 201 and the turbine 22 is opened and the heat fluid supplied to the turbine 22, where it performs work under relaxation and cooling.
  • the mechanical energy thus generated is then used to drive a generator 24 which generates electrical energy.
  • the valve 209 ensures that the high-pressure thermal fluid can not get into the reservoir 205 via the fluid line 207.
  • the cooled and discharged from the turbine 203 Relaxed thermal fluid is finally liquefied in the compressor stages 204a and 204b by compression and then collected in the reservoir 205.
  • the released during compression heat is dissipated via a secondary heat cycle 206 and used for heating purposes.
  • valve 213 When flow into the reservoir 205 ceases, the valve 213 is closed to prevent backflow of the compressed thermal fluid to the compressor stages 204a, 204b. At this stage, the pressure in the reservoir 205 is higher than in the now empty pressure chamber 201. Now, the valve 209 is opened, so that a pressure equalization between the pressure vessel 201 and the reservoir 205 takes place. In this way, liquid heat fluid from the reservoir 205 is fed back into the pressure vessel 201. After a pressure equalization between the pressure vessel 201 and the reservoir 205 has taken place, the valve 209 is closed again and the valve 13 b is opened.
  • the recirculated heat fluid begins to heat again, eventually leading to re-evaporation of the heat fluid and repressurization in the pressure vessel 201, so that after reopening the valve 211, the turbine 22 can be re-powered by the thermal fluid.
  • a cyclic operation of the heat cycle 200 takes place, which has two phases.
  • work is performed by the thermal fluid flowing through the turbine 22, which is used for energy production. Part of the work is also used to drive the compressor stages 204a, 204b.
  • the second phase in which no work is done in the turbine 22, the return of heat fluid from the reservoir 205 takes place in the pressure vessel 20.
  • the control of the phases by means of the controllable valves 13b, 209, 211 and 213th
  • the third heat cycle 300 has substantially the same structure as the second heat cycle 200. Elements in the third heat loop that correspond to elements of the second heat loop 200 are labeled with reference numbers increased by 100. Only the secondary heat cycle 306 for dissipating the heat of condensation in the compressor stages 304a, 304b is used differently than in the first heat cycle 200. Instead of being used for heating purposes, the heat of condensation is used in addition to the heat of condensation of the refrigerant fluid for heating the heat fluid in the pressure vessel 301. It should be noted that the different configuration of the secondary heat circuits 206, 306 in the present embodiment mainly serves to illustrate the various possibilities of utilizing the heat of condensation occurring in the compressor stages. In reality, however, it will generally be the case that both secondary heat circuits 206, 306 are designed identically.
  • the heat cycle 300 is controlled to undergo the phase of regeneration while the heat fluid in the heat cycle 200 in the turbine 22 performs work. In this way, the power generation by the generator 24 can be made uniform.
  • the soil has a stable temperature of approx. 18 ° C all year round.
  • propane (C 3 H 8 ) or ammonia (NH 3 ) or a mixture thereof, possibly also a mixture of ammonia, propane and carbon dioxide is used as the cooling fluid
  • the refrigerant fluid in its gaseous phase can reach a temperature of 18 ° C. exhibit.
  • CO2 can be used as thermal fluid in this case. This has at 18 ° C a vapor pressure of about 6 MPa, ie of 60 atmospheres (see Figure 3).
  • carbon dioxide only has a vapor pressure of about 3.5 MPa, ie about 35 atmospheres.
  • the pressure difference of 25 atmospheres is sufficient to run a turbine.
  • a temperature difference of 18 ° C in the thermal fluid is easy to achieve with the device according to the invention.
  • the vapor pressure at 18 C C is still about 4 MPa (about 40 atmospheres) and the vapor pressure at 0 ° C. is about 2.5 MPa, ie about 25 atmospheres.
  • the pressure difference with ethane is only 15 atmospheres, but this pressure difference is still sufficient to operate the turbine.
  • the temperature of the condensed thermal fluid will usually actually be below 0 ° C.
  • temperatures of up to 55 0 C in the compressed gaseous refrigerant fluid can be reached in the previous numerical example. With double compression even temperatures of over 100 0 C can be achieved. It is worth mentioning that in the soil 20 around the evaporation space 17 of the geothermal probe 9 around forms an ice jacket. This can be used to build a cooling circuit with which, for example, an air conditioner can be operated. In this way, the actually occurring as waste product cooling capacity of the device according to the invention can be supplied to a meaningful use.
  • the described method for generating mechanical energy from heat can also be used for driving mobile systems, for example vehicles.

Abstract

Es wir ein Verfahren zur Gewinnung von mechanischer Energie aus Wärme zur Verfügung gestellt. Dieses umfasst die Schritte: Entziehen von Wärme aus einer Wärmequelle; Übertragen der entzogenen Wärme auf ein in einem geschlossenen Wärmekreislauf (200, 300) zirkulierendes Wärmefluid und Verdampfen des Wärmefluids mittels der übertragenen Wärme unter Erhöhung des Druckes im verdampften Wärmefluid; wobei das unter hohem Druck stehende Wärmefluid eine Strömungsmaschine (22) durchströmt und dabei unter Abkühlung und Entspannung Arbeit leistet; das nach dem Durchströmen der Strömungsmaschine entspannte und abgekühlte Wärmefluid wieder kondensiert wird; und der Druck des kondensierten Wärmefluids wieder mittels des der Wärme der Wärmequelle erhöht wird, und das Wärmefluid derart ausgewählt ist, dass sich durch Ausnutzung einer Temperaturspreizung mit einer Maximaltemperatur von nicht mehr als 13°C eine Dampfdruckdifferenz von wenigstens 0,5 MPa realisieren lässt.

Description

Verfahren und Vorrichtung zur Gewinnung von mechanischer oder elektrischer Energie aus Wärme
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Gewinnung von mechanischer oder elektrischer Energie aus Wärme. Daneben betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zum Durchführen des Verfahrens.
Das Erzeugen mechanischer oder elektrischer Energie erfolgt heutzutage hauptsächlich durch Umwandeln anderer Energieformen in Wärme, welche dann dazu genutzt wird, bspw. eine Turbine anzutreiben. Beispiele für diese
Art der Energiegewinnung sind öl-, Gas- oder Kohlekraftwerke, in denen in chemischen Verbindungen gespeicherte Energie in Wärme umgewandelt wird, sowie Atomkraftwerke, in denen in Atomkernen gespeicherte Energie in Wärme umgewandelt wird. Dabei fällt ein Großteil der Wärme als zur
Gewinnung mechanischer oder elektrischer Energie nicht nutzbare Abwärme an. Diese wird gelegentlich im Rahmen der Kraft-Wärme-Kopplung als
Heizwärme genutzt; häufig wird die Abwärme jedoch ungenutzt an die
Umgebung abgegeben. Eine Nutzung der Restwärme zur Gewinnung weiterer mechanischer oder elektrischer Energie kommt zumeist nicht in
Betracht, da die Resttemperatur für die verwendeten Prozesse zur
Gewinnung mechanischer oder elektrischer Energie nicht hoch genug ist.
Der zunehmende Energiebedarf macht es erforderlich, bei der Gewinnung mechanischer Energie und elektrischer Energie neue Wege zu beschreiten und insbesondere den Anteil an umweltverträglicher Energiegewinnung zu erhöhen. Dabei sind bspw. die Gewinnung von mechanischer und elektrischer Energie aus Sonnenlicht oder Windkraft zu nennen. Eine Kraftstation, die in der Lage ist, Wärme auf einem niedrigen Temperaturniveau zu nutzen und die z.B. für Solarenergie zum Einsatz kommen kann, ist in DE 101 26 403 A1 offenbart. Die Kraftstation umfasst einen Kreislauf mit einem Hochdruckbehälter, einem Niederdruckbehälter, einer zwischen die beiden Druckbehälter geschaltete Turbine oder Kolbenmaschine und einer Druckaufbereitungseinrichtung. In dem Kreislauf zirkuliert flüssiges Kohlendioxid unter hohem Druck, welches die Turbine oder Kolbenmaschine antreibt. In der Kraftstation liegt der Druck des flüssigen Kohlendioxids bei 100C bei 50 Atmosphären und bei 2O0C bei 100 Atmosphären.
Neben der Gewinnung von mechanischer und elektrischer Energie aus Sonnenlicht oder Windkraft wird auch die Gewinnung von mechanischer oder elektrischer Energie aus Erdwärme in Betracht gezogen. Die Energie- gewinnung aus geothermischen Vorkommen ist weltweit grundsätzlich an jedem Punkt der Erde möglich. Bisher sind geothermische Systeme jedoch fast ausschließlich bei der Gewinnung von Wärme und ggf. der Gewinnung von Kälte sowie der Heißwasseraufbereitung im Einsatz. Die Gewinnung von Energie beispielsweise in Form von mechanischer oder elektrischer Energie ist bis auf wenige Versuchsanlagen, die diese Energie erzeugen können, bisher kaum realisiert. Die Gewinnung mechanischer oder elektrischer Energie unter wirtschaftlich vertretbaren Kosten ist daher eine große Herausforderung. Das Gelingen dieses Vorhabens entlastet die Umwelt und ermöglicht es, fossile Energiereserven anderen Nutzzwecken zuzuführen.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein verbessertes Verfahren und eine verbesserte Vorrichtung zur Gewinnung von mechanischer oder elektrischer Energie aus Wärme zur Verfügung zu stellen, mit denen auch die Gewinnung mechanischer oder elektrischer Energie aus Wärmereservoiren mit relativ niedrigen Temperaturen und insbesondere aus Erdwärme möglich ist.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren zur Gewinnung von mechanischer Energie aus Wärme nach Anspruch 1 bzw. eine Vorrichtung zur Gewinnung von mechanischer Energie aus Wärme nach Anspruch 9 gelöst. Die abhängigen Ansprüche enthalten vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Gewinnung von mechanischer Energie aus Wärme umfasst die Schritte:
Entziehen von Wärme aus einer Wärmequelle;
Übertragen der entzogenen Wärme auf ein in einem geschlossenen Wärmekreislauf zirkulierendes Wärmefluid und Verdampfen des Wärmefluids mittels der übertragenen Wärme unter Erhöhung des Druckes im verdampften Wärmefluid; wobei das unter hohem Druck stehende verdampfte Wärmefluid eine Strömungsmaschine, bspw. eine Turbine, durchströmt und dabei unter Abkühlung und Entspannung Arbeit leistet; - das nach dem Durchströmen der Strömungsmaschine entspannte und abgekühlte Wärmefluid wieder kondensiert wird; und der Druck des kondensierten Wärmefluids wieder mittels des der Wärme der Wärmequelle erhöht wird.
Im erfindungsgemäßen Verfahren ist das Wärmefluid derart ausgewählt, dass sich durch Ausnutzung einer Temperaturspreizung mit einer Maximaltemperatur von nicht mehr als 13O0C, insbesondere mit einer Maximaltemperatur von nicht mehr als 60°C und vorzugsweise einer Maximaltemperatur von nicht mehr als 300C eine Dampfdruckdifferenz von wenigstens 0,5 MPa, vorzugsweise wenigstens 1 ,0 MPa und insbesondere wenigstens 2,0 MPa realisieren lässt. Insbesondere kann das Wärmefluid so gewählt sein, dass bereits bei den genannten Temperaturen und einer Temperaturspreizung von nicht mehr als 5O0C die Dampfdruckdifferenz von wenigstens 0,5 MPa, vorzugsweise wenigstens 1 ,0 MPa und insbesondere wenigstens 2 MPa erzielbar ist. Als Wärmefluid eignen sich bspw. Ammoniak (NH3), Ethan (C2H6), Propan (C3H8) und insbesondere Kohlendioxid (CO2). Darüber hinaus können auch Mischungen der genannten Stoffe Verwendung finden. Die beim Kondensieren des Wärmefluids frei werdende Wärme kann entweder in den Kreislauf zurückgespeist werden, also zusammen mit der Wärme der Wärmequelle zum Verdampfen des Wärmefluids eingesetzt werden, oder als Heizwärme dienen.
Im erfindungsgemäßen Verfahren ist die Wärmeübertragung auf das Wärmefluid auf eine möglichst große Drucksteigerung im Wärmefluid ausgelegt. So kann bereits bei einer niedrigen Maximaltemperatur und einer relativ geringen nutzbaren Temperaturdifferenz die Strömungsmaschine, bspw. eine Turbine, angetrieben werden. Insbesondere wenn Kohlendioxid oder Ethan als Wärmefluid Verwendung findet, genügt sogar eine nutzbare Temperaturdifferenz unter 1O0C, um eine zum Antreiben der Strömungsmaschine nutzbare Druckdifferenz herbeizuführen. Das erfindungsgemäße Verfahren kann daher insbesondere überall dort eingesetzt werden, wo nur niedrige Temperaturen zur Energiegewinnung herangezogen werden können oder sollen. Denkbar ist es bspw., die Abwärme industrieller Prozesse zur Energiegewinnung heranzuziehen. Insbesondere kann das Verfahren aber zur Gewinnung von mechanischer oder elektrischer Energie aus Erdwärme Verwendung finden. Im Unterschied zur in DE 101 26 403 A1 beschriebenen Kraftstation, in der im Bereich von 1O0 C und 20° C Drücke zwischen 50 Atmosphären und 100 Atmosphären herrschen, sind im erfindungsgemäßen Verfahren die Drücke im gasförmigen Kohlendioxid bei 10° C und 20° C deutlich niedriger, so dass die Druckbehälter einfacher ausgestaltet sein können. Außerdem ist der nutzbare Temperaturbereich größer, da selbst bei gasförmigem Kohlendioxid mit einer Temperatur von 30° C der Druck noch unter dem Druck des flüssigen Kohlendioxids aus DE 101 26 403 A1 bei 20° C liegt.
Bei Verwendung eines geeigneten Wärmefluids reicht eine Temperatur- spreizung von 100C bis 2O0C völlig aus, um die Turbine anzutreiben. So hat beispielsweise Ethan (C2He) bei 200C einen Dampfdruck von ca. 4 MPa, also von etwa 40 Atmosphären. Kohlendioxid hat bei 2O0C sogar einen Dampfdruck von ca. 6 MPa, also 60 Atmosphären. Die Dampfdrücke von Ethan und Kohlendioxid bei O0C liegen hingegen bei ca. 2,5 MPa (Ethan), was ca. 25 Atmosphären entspricht, bzw. ca. 3,5 MPa (Kohlendioxid), was etwa 35 Atmosphären entspricht. Der Temperaturunterschied zwischen 00C und 200C kann daher im Falle von Ethan einen Druckunterschied von etwa 15 Atmosphären und bei Kohlendioxid von etwa 25 Atmosphären herbeiführen. Bei einer Minimaltemperatur von 1O0C bleiben immer noch Druckunterschiede von etwa 1 MPa, also 10 Atmosphären. Diese Druckunterschiede können zur Gewinnung von mechanischer Energie in der Strömungsmaschine ausgenutzt werden. Diese lässt sich bei Bedarf bspw. mittels eines von der Strömungsmaschine angetriebenen Generators in elektrische Energie umwandeln.
Wenn die Wärmequelle das Erdreich ist, kann das erfindungsgemäße Verfahren die folgenden weiteren Schritte umfassen:
Entziehen von Wärme aus dem Erdreich unter Verwendung eines in flüssiger Form in eine im Erdreich angeordnete Erdwärmesonde mit einem Verdampfungsraum injizierten Kältefluids, welches vor dem Erreichen des Verdampfungsraumes expandiert wird, im Verdampfungsraum unter Entziehung von Wärme aus dem umgebenden Erdreich verdampft und in gasförmiger Form dem Verdampfungsraum entnommen wird.
Übertragen der vom komprimierten gasförmigen Kältefluid transportierten Wärme auf das im geschlossenen Wärmekreislauf zirkulierende Wärmefluid und Erhöhen des Druckes im Wärmefluid durch die übertragene Wärme, wobei das gasförmige Kältefluid kondensiert.
Injizieren des kondensierten Kältefluids in die Erdwärmesonde.
Das derart ausgestaltete erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht es bereits bei relativ niedrigen Temperaturen im Erdreich, beispielsweise ca. 200C, die Erdwärme zum Antreiben der Strömungsmaschine zu nutzen. Als Kältefluid kommen Fluide in Betracht, welche bei niedrigem Druck in einem Temperaturbereich von O0C bis -3O0C verdampfen, etwa Ammoniak (NH3), Propan (C3H8), Butan (C4H10), Kohlendioxid (CO2), etc. Selbstverständlich können auch Mischungen der genannten Stoffe Verwendung finden. Wenn die Temperatur des Erdreichs im Bereich des Verdampfungsraumes etwa 200C beträgt, so verdampft das Kältefluid. Auf Grund der geringen Dichte des gasförmigen Kältefluids steigt dieses selbständig aus dem Verdampfungsraum auf. Die nutzbare Temperaturspreizung beträgt dabei 200C und mehr. Im vom Wärmefluid durchströmten Kreislauf wird die Kondensationswärme des Kältefluids zum Verdampfen des Wärmefluids und zum Druckaufbau im verdampften Wärmefluid genutzt.
Das Kältefluid kann durch geeignete Verdichtung vor der Wärmeübertragung auf das Wärmefluid sogar auf höhere Temperaturen als die 200C des Erdreiches erwärmt werden. Bei einfacher Verdichtung sind bei einer Temperatur von 2O0C im Erdreich Temperaturen von bis zu 550C im verdichteten Kältefluid möglich. Bei doppelter Verdichtung können sogar Temperaturen von bis zu ca. 130°C im verdichteten Kältefluid erzielt werden. Die hohen Temperaturen erhöhen die Anzahl der als Wärmefluid nutzbaren Stoffe. Der vom Kältefluid durchlaufene Kreislauf stellt dabei eine so genannte Kompressionskälteanlage dar, die als Wärmepumpe betrieben wird.
Die mechanische bzw. elektrische Leistung der Strömungsmaschine kann über den zirkulierenden Kältefluidstrom geregelt werden.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann insbesondere dazu Verwendung finden, mittels der Strömungsmaschine, bspw. einer Turbine, einen elektrischen Generator zum Erzeugen von Strom anzutreiben.
Eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Gewinnung von mechanischer Energie aus Wärme, bspw. aus Erdwärme, die zum Durchführen des erfindungsgemäßen Verfahrens geeignet ist, umfasst wenigstens einen mittels eines Wärmetauschers mit einer Wärmequelle gekoppelten geschlossenen Wärmekreislauf mit einem darin zirkulierenden Wärmefluid, wobei der Wärmetauscher derart angeordnet ist, dass die Wärme der Wärmequelle auf das Wärmefluid übertragen werden kann, um das Wärmefluid zu verdampfen und den Druck im verdampften Wärmefluid zu erhöhen; wenigstens eine im Wärmekreislauf stromab des Wärmetauschers derart angeordnete Strömungsmaschine, dass sie vom unter hohem Druck stehenden dampfförmigen Wärmefluid durchströmt wird, wobei das dampfförmige Wärmefluid entspannt und abkühlt und - einem Verdichter, welcher strömungstechnisch der Strömungsmaschine nach- und dem Wärmetauscher vorgeschaltet ist und zum Kondensieren des Wärmefluids ausgestaltet ist.
Das Wärmefluid ist derart gewählt, dass sich durch Ausnutzung einer
Temperaturspreizung mit einer Maximaltemperatur von nicht mehr als 13O0C, insbesondere mit einer Maximaltemperatur von nicht mehr als 6O0C und vorzugsweise einer Maximaltemperatur von nicht mehr als 3O0C eine
Dampfdruckdifferenz von wenigstens 0,5 MPa, insbesondere wenigstens 1 ,0
MPa und vorzugsweise wenigstens 2,0 MPa realisieren lässt. Insbesondere kann das Wärmefluid so gewählt sein, dass bereits bei den genannten Temperaturen und einer Temperaturspreizung von nicht mehr als 500C die
Dampfdruckdifferenz von wenigstens 0,5 MPa, insbesondere wenigstens 1 ,0
MPa und vorzugsweise wenigstens 2 MPa erzielbar ist. Als Wärmefluid eignen sich insbesondere bspw. Ammoniak (NH3), Ethan (C2H6), Propan
(CaH8) und insbesondere Kohlendioxid (CO2). Darüber hinaus können auch Mischungen der genannten Stoffe Verwendung finden.
Durch die von der Wärmequelle zugeführte Wärme wird die Temperatur im Wärmefluid erhöht, so dass das zuvor flüssige Wärmefluid verdampft, wobei eine Drucksteigerung im entsprechenden Teil des Wärmekreislaufes stattfindet. Nach dem Durchströmen der Strömungsmaschine, wobei das gasförmige Wärmefluid unter Entspannung uns Abkühlung Arbeit leistet, wird das Wärmefluid mittels des Verdichters wieder verdichtet und in den flüssigen Zustand überführt, um den Ausgangsdruck wieder herzustellen. Die beim Verdichten entstehende Wärme kann über einen Sekundärwärme- kreislauf, der über einen Wärmetauscher mit dem Verdichter gekoppelt ist, abgeführt werden. Die beim Kondensieren des Wärmefluids auf den Sekundärwärmekreislauf übertragene Wärme kann dem Wärmefluid zusammen mit der Wärme der Wärmequelle wieder zugeführt und damit in den Wärmekreislauf rückgespeist werden. Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann insbesondere Teil einer Vorrichtung zum Gewinnen von mechanischer oder elektrischer Energie aus Erdwärme als Wärmequelle sein. Eine derartige Vorrichtung ist dann zusätzlich mit einem Kältekreislauf mit einem darin zirkulierenden Kältefluid ausgestattet. Der Kältekreislauf umfasst eine in eine Erdbohrung zu versenkende Erdwärmesonde, in die flüssiges Kältefluid injiziert wird und in der das flüssige Kältefluid aufgrund der Erdwärme des die Erdwärmesonde umgebenden Erdreiches verdampft. Außerdem umfasst der Kältekreislauf einen Wärmetauscher, in dem das dampfförmige Kältefluid kondensiert und der den Kältekreislauf mit dem Wärmekreislauf koppelt. Der Kältekreislauf kann zudem einen zwischen die Erdwärmesonde und den Wärmetauscher geschalteten Verdichter umfassen. Ein geeigneter Kältekreislauf ist bspw. in DE 10 2004 018 480 B3 beschrieben.
Diese Ausgestaltung ermöglicht die Nutzung von Erdwärme zur Erzeugung von mechanischer oder elektrischer Energie bereits bei Temperaturen im Erdreich von ca. 20° C. Derartige Temperaturen sind fast überall auf der Welt in relativ geringer Tiefe ganzjährig im Erdreich zu finden. Die beschriebene Vorrichtung ist daher grundsätzlich weltweit zur Energiegewinnung aus Erdwärme einsetzbar.
Außerdem kann diese Vorrichtung eine Einrichtung zum Beeinflussen des im Kältekreislauf zirkulierenden Kältefluidstroms umfassen. Über eine Regulierung des Kältefluidmassenstroms lässt sich dann die mechanische bzw. elektrische Leistung der Anlage steuern.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung umfasst der wenigstens eine Wärmekreislauf einen der Strömungsmaschine in Strömungsrichtung vorgeschalteten Druckaufbauraum, in welchem der Wärmetauscher angeordnet ist. Der Strömungsmaschine in Strömungsrichtung nachgeschaltet ist ein Reservoir vorhanden, in dem das wieder verdichtete Wärmefluid gesammelt wird. Das Reservoir ist mit dem Druckaufbauraum über eine Fluidleitung verbunden, in der ein Ventil, bspw. ein Rückschlagventil, derart angeordnet ist, dass eine Strömung vom Druckaufbauraum in das Reservoir unter Umgehung der Strömungsmaschine verhindert wird.
Der Druckaufbauraum wird dazu genutzt, den zum Betreiben bspw. einer Turbine als Strömungsmaschine nötigen Druck aufzubauen. Hierzu wird Wärme von der Wärmequelle auf das Wärmefluid übertragen, welches durch die Erwärmung im Druckaufbauraum verdampft und eine Drucksteigerung erfährt. Das unter hohem Druck stehende Wärmefluid strömt durch die Turbine ab, wobei es in der Turbine unter Entspannung und Abkühlung Arbeit leistet. Da die Turbine aufgrund der Trägheit weiter rotiert, wenn der Druck im Druckaufbauraum nicht mehr ausreicht, die Turbine anzutreiben, wirkt sie noch für eine Weile als Pumpe, welche Wärmefluid aus dem Druckaufbauraum pumpt.
Das entspannte und abgekühlte Wärmefluid wird verdichtet, wobei es wieder kondensiert, und schließlich im Reservoir gesammelt. Sobald der Druck im Reservoir höher als im - nun leeren und damit druckarmen - Druckaufbauraum ist, wird das Ventil in der Fluidleitung geöffnet, so dass das wieder ver- dichtete Wärmefluid aus dem Reservoir über die Fluidleitung in den Druckaufbauraum strömt. Das über die Fluidleitung in den Druckaufbauraum rückgespeiste Wärmefluid steht dann einer erneuten Erwärmung und Druckerhöhung zur Verfügung. Die Turbine durchläuft dabei im Wechsel Phasen, in der sie vom Wärmefluid angetrieben wird und Phasen, in denen Wärmefluid aus dem Reservoir in den Druckaufbauraum rückgespeist und im Druckaufbauraum verdampft wird.
Wenn mehrere Wärmekreisläufe über Wärmetauscher mit der Wärmequelle, gekoppelt sind, und diese Wärmekreisläufe jeweils einen Druckaufbauraum, ein Reservoir und bspw. eine Turbine als Strömungsmaschine umfassen, ist es möglich, die Phasen des Druckaufbaus in den Druckaufbauräumen der einzelnen Kreisläufe so zu steuern, dass sie gegeneinander phasenverschoben sind. Auf diese Weise kann die Erzeugung mechanischer Energie durch die erfindungsgemäße Vorrichtung vergleichmäßigt werden. Das Steuern der Phasen kann bei Vorhandensein eines Kältekreislaufes bspw. mittels Steuerventilen im Kältekreislauf erfolgen, welche die Zufuhr von Kältefluid zu den einzelnen Wärmetauschern phasenverschoben freigeben und unterbrechen.
Wenn mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung elektrische Energie erzeugt werden soll, wird die Strömungsmaschine mit wenigstens einem elektrischen Generator gekoppelt, um diesen anzutreiben.
In der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist es möglich, dem Kältekreislauf einen weiteren Wärmekreislauf zuzuordnen, welcher nicht zum Antreiben der Turbine genutzt wird, sondern zum Heizen einer Einrichtung, beispielsweise einer Maschine oder eines Gebäudes. Auch die beim Kondensieren des Wärmefluids in einem Verdichter auf den zugehörigen Sekundärwärme- kreislauf übertragene Wärme kann als Heizwärme Verwendung finden, anstatt sie über den Druckaufbaubehälter wieder dem Wärmekreislauf zuzuführen. Diese Ausgestaltung kann insbesondere dann sinnvoll und vorteilhaft sein, wenn die Vorrichtung für Endverbraucher geeignet sein soll, die bspw. ein Gebäude sowohl mit Strom als auch mit Wärme versorgen wollen.
Weitere Merkmale, Eigenschaften und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die beiliegenden Figuren.
Figur 1 zeigt ein Schaltbild für eine erfindungsgemäße Vorrichtung zum Gewinnen mechanischer bzw. elektrischer Energie aus Erdwärme.
Figur 2 zeigt eine Erdwärmesonde, wie sie in der erfindungsgemäßen Vorrichtung Verwendung finden kann, in einer schematischen Darstellung.
Figur 3 zeigt die Dampfdruckkurven verschiedener Fluide. Ein Ausführungsbeispiel für die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Gewinnung von mechanischer Energie aus Erdwärme ist in Figur 1 dargestellt. Die dargestellte Vorrichtung umfasst einen Kältekreislauf 1 und drei über Wärmetauscher 3, 5, 7 mit dem Kältekreislauf 1 gekoppelte Wärmekreisläufe 100, 200, 300.
Der Kältekreislauf 1 umfasst eine Erdwärmesonde 9, die drei Wärmetauscher 3, 5, 7 und einen Verdichter 11. Die drei Wärmetauscher 3, 5, 7 sind in getrennten Zweigen des Kältekreislaufes 1 angeordnet, die mittels steuerbarer Absperrventile 13a, 13b, 13c individuell gesperrt oder freigegeben werden können. Im Kältekreislauf 1 zirkuliert ein Kältefluid, welches dazu dient, Erdwärme in der Erdwärmesonde 9 aufzunehmen, zu den Wärmetauschern 3, 5, 7 zu transportieren und dort an ein in dem jeweiligen Wärmekreislauf 100, 200, 300 zirkulierendes Wärmefluid abzugeben.
Die Funktionsweise des Kältekreislaufs 1 wird nachfolgend mit Bezug auf Figur 2 erläutert, die eine Erdwärmesonde 9 in einer schematischen Darstellung zeigt.
Bei jedem Durchlauf durch den Kältekreislauf 1 erfährt das Kältefluid zwei Phasenübergänge, nämlich einmal einen Phasenübergang von flüssig zu gasförmig in der Erdwärmesonde und einmal eine Rückumwandlung vom gasförmigen in den flüssigen Zustand, welcher in den Wärmetauschern stattfindet. Die Erdwärmesonde 9 ist in einem Bohrschacht versenkt, der lediglich eine geringe Tiefe im Bereich zwischen 100 m und 1000 m zu haben braucht. In diesen Tiefen ist die Erdwärme bereits hoch genug, um die erfindungsgemäße Vorrichtung sinnvoll betreiben zu können.
Die Erdwärmesonde 9 umfasst einen Ringraum 14, der zum Führen des flüssigen Kältefluids 15 zu einem Verdampfungsraum 17 dient. Der Ringraum 14 ist im Wesentlichen durch den Zwischenraum zwischen einem Außenrohr 12 und einem Steigrohr 16 der Erdwärmesonde 9 gebildet. Das flüssige Kältefluid 15 fließt hauptsächlich an der Innenwand des Außenrohres 12 zum Verdampfungsraum 17. Um das flüssige Kältefluid 15 in einen verdampfungsfähigen Zustand zu überführen, wird sein Druck mit dem Eintritt in den Verdampfungsraum 17 entsprechend seiner thermo- dynamischen Dampfdruckkurve bezüglich der im Verdampfungsraum 17 herrschenden Temperatur eingestellt. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel dient ein Drosselventil 18 am Übergang zwischen dem Ringraum 14 und dem Verdampfungsraum 17 zum Einstellen des Druckes. Das Drosselventil 18 vermindert den hydrostatischen Druck des flüssigen Kältefluids 15 im Ringraum auf Verdampfungsniveau, so dass dieses im Verdampfungsraum 17 unter Aufnahme von Wärme aus dem umgebenden Erdreich 20 verdampft. Das nun gasförmige Kältefluid 19 steigt durch das zentrale Steigrohr 16 nach oben. Um Temperatur- und Druckverluste zu minimieren weist das Steigrohr 16 einen ausreichenden Strömungsquerschnitt auf und ist zum Ringraum 14 hin wärmeisoliert. Über Tage wird das aufgestiegene gasförmige Wärmefluid 19 im Verdichter 11 verdichtet. Durch das Verdichten wird die Kondensationstemperatur des gasförmigen Wärmefluids 19 so weit angehoben, dass es in den Wärmetauschern 3, 5, 7 kondensiert und die dabei frei werdende Kondensationswärme an das im entsprechenden Wärmekreislauf zirkulierende Wärmefluid überträgt. Das nunmehr wieder flüssige Kältefluid 15 wird anschließend wieder dem Ringraum 14 zugeführt, wo es aufgrund der Schwerkraft an der Innenwand des Außenrohres 12 zum Verdampfungsraum 17 fließt. Geeignete Kältefluide zum Zirkulieren im Kältekreislauf 1 sind beispielsweise Kohlendioxid, Propan, Butan, Ammoniak, etc.
Die beschrieben Erdwärmesonde stellt lediglich ein Beispiel für eine geeignete Erdwärmesonde dar. Andere Erdwärmesonden können ebenfalls im Kältekreislauf 1 eingesetzt werden, solange sich mit ihnen eine als Wärmepumpe zu betreibende Kondensationskälteanlage aufbauen lässt.
Der Wärmekreislauf 100, welcher über den Wärmetauscher 3 an dem Kältekreislauf 1 angekoppelt ist, stellt einen konventionellen Heizkreislauf, beispielsweise zum Beheizen eines Gebäudes oder einer Maschine dar und wird an dieser Stelle nicht weiter erläutert. Der Wärmekreislauf 200, welcher über den Wärmetauscher 5 an den Kältekreislauf 1 angekoppelt ist, dient zur Gewinnung mechanischer Energie aus der im gasförmigen Kältefluid 15 gespeicherten Erdwärme. Der Wärmekreislauf 200 umfasst einen Druckbehälter 201 als Druckaufbauraum, in dem der Wärmetauscher 5 angeordnet ist, eine Turbine 22, einen zweistufigen Verdichter 204a, 204b und ein Reservoir 205. Die Turbine 22 ist dabei strömungstechnisch hinter dem Druckbehälter 201 aber vor den Verdichterstufen 204a, 204b angeordnet. Zwischen dem Reservoir 205 und dem Druckbehälter 201 ist eine Fluidleitung 207 mit einem darin angeordneten Ventil 209 vorhanden. Mittels weiterer Ventile 211 , 213 und 215 kann die Strömung des Wärmefluids zwischen dem Druckbehälter 201 und der Turbine 22, zwischen dem Verdichter 204a, 204b und dem Reservoir 205 bzw. zwischen der Turbine 22 und dem Verdichter 204a, 204b unterbunden werden.
Das im Druckbehälter 201 befindliche Wärmefluid ist so gewählt, dass es bei Aufnahme der Kondensationswärme des Kältefluids verdampft und dabei eine große Drucksteigerung im Druckbehälter 201 erfährt. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel kommt Kohlendioxid als Wärmefluid zum Einsatz, es sind grundsätzlich aber auch andere Fluide geeignet, so lange sie im relevanten Temperaturbereich eine ausreichende Drucksteigerung ermöglichen. Insbesondere seien Ammoniak, Ethan und Propan als weitere mögliche Wärmefluide genannt.
Wenn das Wärmefluid aufgrund der Erwärmung verdampft ist und unter hohem Druck steht, wird das während des Erwärmens geschlossene Ventil 211 zwischen dem Druckbehälter 201 und der Turbine 22 geöffnet und das Wärmefluid der Turbine 22 zugeführt, wo es unter Entspannung und Abkühlung Arbeit leistet. Die so erzeugte mechanische Energie wird dann dazu verwendet, einen Generator 24 anzutreiben, der elektrische Energie erzeugt. Das Ventil 209 stellt dabei sicher, dass das unter hohem Druck stehende Wärmefluid nicht über die Fluidleitung 207 in das Reservoir 205 gelangen kann. Das aus der Turbine 203 austretende abgekühlte und entspannte Wärmefluid wird schließlich in den Verdichterstufen 204a und 204b durch Verdichten verflüssigt und anschließend im Reservoir 205 gesammelt. Die beim Verdichten frei werdende Wärme wird über einen Sekundärwärmekreislauf 206 abgeführt und zu Heizzwecken verwendet.
Da Wärmefluid aus dem Druckbehälter 201 durch die Turbine 22 in das Reservoir 205 strömt, ohne dass währenddessen Wärmefluid aus dem Reservoir 205 in den Druckbehälter 201 eingespeist wird, nimmt der Druck im Druckbehälter 201 immer weiter ab, bis er nicht mehr ausreicht, die Turbine 22 anzutreiben und die Strömung vom Druckbehälter 201 zur Turbine 22 abbricht. Es wird dann das Ventil 211 zwischen dem Druckbehälter 201 und der Turbine 22 geschlossen.
Wenn die Strömung in das Reservoir 205 zum Erliegen kommt, wird das Ventil 213 geschlossen, um ein Rückströmen des verdichteten Wärmefluids zu den Verdichterstufen 204a, 204b zu verhindern. In diesem Stadium ist der Druck im Reservoir 205 höher als im nun leeren Druckraum 201. Nun wird das Ventil 209 geöffnet, so dass ein Druckausgleich zwischen dem Druckbehälter 201 und dem Reservoir 205 stattfindet. Auf diese Weise wird flüssiges Wärmefluid aus dem Reservoir 205 in den Druckbehälter 201 rückgespeist. Nachdem ein Druckausgleich zwischen dem Druckbehälter 201 und dem Reservoir 205 stattgefunden hat, wird das Ventil 209 wieder geschlossen und das Ventil 13b geöffnet. Infolgedessen beginnt sich das rückgespeiste Wärmefluid wieder zu erwärmen, was schließlich zu einem erneuten Verdampfen des Wärmefluids und zum erneuten Druckanstieg im Druckbehälter 201 führt, so dass nach einem erneuten Öffnen des Ventils 211 die Turbine 22 durch das Wärmefluid wieder angetrieben werden kann. Auf diese Weise findet ein zyklischer Betrieb der Wärmekreislaufes 200 statt, welcher zwei Phasen aufweist. In der ersten Phase wird vom durch die Turbine 22 strömenden Wärmefluid Arbeit geleistet, welche zur Energiegewinnung Verwendung findet. Ein Teil der Arbeit findet zudem zum Antreiben der Verdichterstufen 204a, 204b Verwendung. In der zweiten Phase, in der keine Arbeit in der Turbine 22 geleistet wird, erfolgt das Rückspeisen von Wärmefluid aus dem Reservoir 205 in den Druckbehälter 20. Die Steuerung der Phasen erfolgt mittels der steuerbaren Ventile 13b, 209, 211 und 213.
Der dritte Wärmekreislauf 300 weist weitgehend denselben Aufbau wie der zweite Wärmekreislauf 200 auf. Elemente im dritten Wärmekreislauf, die Elementen des zweiten Wärmekreislaufes 200 entsprechen, sind mit um den Wert 100 erhöhten Referenznummern bezeichnet. Lediglich der Sekundärwärmekreislauf 306 zum Abführen der Kondensationswärme in den Verdichterstufen 304a, 304b wird anders genutzt als im ersten Wärmekreislauf 200. Statt zu Heizzwecken genutzt zu werden, wird die Kondensationswärme zusätzlich zur Kondensationswärme des Kältefluids zum Heizen des Wärmefluids im Druckbehälter 301 genutzt. Es sei darauf hingewiesen, dass die unterschiedliche Ausgestaltung der Sekundärwärmekreisläufe 206, 306 im vorliegenden Ausführungsbeispiel hauptsächlich der Darstellung der verschiedenen Möglichkeiten, die in den Verdichterstufen anfallende Kondensationswärme zu nutzen, dient. In der Realität wird es in der Regel aber so sein, dass beide Sekundärwärmekreisläufe 206, 306 gleich ausgestaltet sind.
Im dritten Wärmekreislauf 300 findet wie im zweiten Wärmekreislauf 200 ein zweiphasiger Zyklus statt, in dem in der ersten Phase das unter hohem Druck stehende Wärmefluid die Turbine 22 antreibt und in der zweiten Phase Wärmefluid aus dem Reservoir 305 in den Druckbehälter 301 rückgespeist wird. Im Vergleich zum Wärmekreislauf 200 ist der Wärmekreislauf 300 jedoch so gesteuert, dass er die Phase des Rückspeisens durchläuft, während das Wärmefluid im Wärmekreislauf 200 in der Turbine 22 Arbeit leistet. Auf diese Weise kann die Stromerzeugung durch den Generator 24 vergleichmäßigt werden. Je höher hierbei die Anzahl der Wärmekreisläufe 200, 300, etc. ist, desto gleichmäßiger kann Strom in ein Netz eingespeist werden. Es sei daher an dieser Stelle betont, dass im Unterschied zum dargestellten Ausführungsbeispiel auch mehr als zwei zur Gewinnung mechanischer Energie genutzte Wärmekreisläufe vorhanden sein können. Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird nachfolgen ein Zahlenbeispiel präsentiert:
Ab einer Tiefe von ca. 100 m weist das Erdreich ganzjährig eine stabile Temperatur von ca. 18°C auf. Wenn Propan (C3H8) oder Ammoniak (NH3) oder eine Mischung daraus, ggf. auch eine Mischung aus Ammoniak, Propan und Kohlendioxid, als Kältefluid eingesetzt wird, so kann das Kältefluid in seiner gasförmigen Phase eine Temperatur von 18°C aufweisen. Als Wärmefluid kann in diesem Fall beispielsweise CO2 eingesetzt werden. Dieses hat bei 18°C einen Dampfdruck von rund 6 MPa, also von 60 Atmosphären (vgl. Figur 3). Bei einer Temperatur von 00C hat Kohlendioxid hingegen lediglich einen Dampfdruck von ca. 3,5 MPa, also etwa 35 Atmosphären. Die Druckdifferenz von 25 Atmosphären ist ausreichend, um eine Turbine zu betreiben. Eine Temperaturdifferenz von 18°C im Wärmefluid ist mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung jedoch einfach zu erreichen.
Wenn Ethan an Stelle von Kohlendioxid als Wärmefluid Verwendung findet, so beträgt der Dampfdruck bei 18CC noch immer etwa 4 MPa (ca. 40 Atmosphären) und der Dampfdruck bei 00C ca. 2,5 MPa, also etwa 25 Atmosphären. Zwar liegt der Druckunterschied bei Ethan nur bei 15 Atmosphären, jedoch reicht auch dieser Druckunterschied noch aus, um die Turbine zu betreiben.
In beiden Beispielen wird die Temperatur des kondensierten Wärmefluids in der Regel tatsächlich sogar unter 0° C liegen.
Wenn der Verdichter 11 zwischen die Erdwärmesonde 9 und den Wärmetauschern 3, 5, 7 die Temperatur des gasförmigen Kältefluids 19 durch Kompression weiter erhöht, sind im vorausgegangenen Zahlenbeispiel Temperaturen von bis zu 550C im komprimierten gasförmigen Kältefluid erreichbar. Bei doppelter Verdichtung können sogar Temperaturen von über 1000C erreicht werden. Es erwähnenswert, dass sich im Erdreich 20 um den Verdampfungsraum 17 der Erdwärmesonde 9 herum ein Eismantel bildet. Dieser kann dazu verwendet werden, einen Kühlkreislauf aufzubauen, mit welchem beispielsweise eine Klimaanlage betrieben werden kann. Auf diese Weise kann die eigentlich als Abfallprodukt anfallende Kühlleistung der erfindungsgemäßen Vorrichtung einer sinnvollen Nutzung zugeführt werden. Dabei schmilzt der Eismantel größtenteils wieder ab, so dass ein Schaden der vegetativen Zone im Erdreich vermieden werden kann, insbesondere dann, wenn das Erdreich bereits bei geringen Tiefen die Temperatur von ca. 18° C erreicht . und die Erdwärmesonde daher oberflächennah angeordnet ist.
Das beschrieben Verfahren zum Erzeugen von mechanischer Energie aus Wärme kann auch zum Antreiben von mobilen Systemen, bspw. Fahrzeugen, genutzt werden.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Gewinnung von mechanischer Energie aus Wärme mit den Schritten: - Entziehen von Wärme aus einer Wärmequelle;
- Übertragen der entzogenen Wärme auf ein in einem geschlossenen Wärmekreislauf (200, 300) zirkulierendes Wärmefluid und Verdampfen des Wärmefluids mittels der übertragenen Wärme unter Erhöhung des Druckes im verdampften Wärmefluid; wobei
- das unter hohem Druck stehende Wärmefluid eine Strömungsmaschine (22) durchströmt und dabei unter Abkühlung und Entspannung Arbeit leistet; - das nach dem Durchströmen der Strömungsmaschine entspannte und abgekühlte Wärmefluid wieder kondensiert wird; und
- der Druck des kondensierten Wärmefluids wieder mittels des der Wärme der Wärmequelle erhöht wird, und
- das Wärmefluid derart ausgewählt ist, dass sich durch Ausnutzung einer Temperaturspreizung mit einer Maximaltemperatur von nicht mehr als 13O0C eine Dampfdruckdifferenz von wenigstens 0,5 MPa realisieren lässt.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , in dem das Wärmefluid so gewählt ist, dass bei einer Temperaturspreizung von nicht mehr als 50° C mit einer Maximaltemperatur von nicht mehr als 30° C die Dampfdruckdifferenz von wenigstens 0,5 MPa erzielbar ist.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, in dem das Wärmefluid ausgewählt ist aus der Gruppe: Kohlendioxid, Ethan, Propan,
Ammoniak.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, in dem die beim Kondensieren des Wärmefluids anfallende Kondensationswärme dem Wärmefluid zusammen mit der Wärme der Wärmequelle zur Drucksteigerung wieder zugeführt wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, in dem die Wärmequelle das Erdreich ist und welches die folgenden Schritte umfasst:
- Entziehen von Wärme aus dem Erdreich (20) unter Verwendung eines in flüssiger Form (15) in eine im Erdreich (20) angeordnete
Wärmesonde (9) mit einem Verdampfungsraum (17) injizierten Kältefluids, welches vor dem Erreichen der Verdampfungsraumes (17) expandiert wird, im Verdampfungsraum (17) unter Entziehung von Wärme aus dem umgebenden Erdreich (20) verdampft und in gasförmiger Form (19) dem Verdampfungsraum entnommen wird;
- Übertragen der vom komprimierten gasförmigen Kältefluid transportierten Wärme auf das in dem geschlossenen Wärmekreislauf (200, 300) zirkulierende Wärmefluid und Erhöhen des Druckes im Wärmefluid durch die übertragne Wärme, wobei das gasförmige Kältefluid (19) kondensiert; und
- Injizieren des kondensierten Kältefluids (15) in die Erdwärmersonde (9).
6. Verfahren nach Anspruch 5, in dem die mechanische bzw. elektrische Leistung der Strömungsmaschine (22) über den zirkulierenden
Kältefluidstrom geregelt wird.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 6, in dem ein Komprimieren des gasförmigen Kältefluids (19) vor dem Übertragen der Wärme auf den Wärmekreislauf (200, 300) erfolgt.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, in dem die Strömungsmaschine (22) einen elektrischen Generator (24) antreibt.
9. Vorrichtung zur Gewinnung von mechanischer Energie aus Wärme mit:
- wenigstens einem mittels eines Wärmetauschers (5, 7) mit einer Wärmequelle (1) gekoppelten geschlossenen Wärmekreislauf (200, 300) mit einem darin zirkulierenden Wärmefluid, wobei der
Wärmetauscher (5, 7) derart angeordnet ist, dass die Wärme der Wärmequelle (1) auf das Wärmefluid übertragen werden kann, um das Wärmefluid zu verdampfen und den Druck im verdampften Wärmefluid zu erhöhen; - wenigstens einer im Wärmekreislauf (200, 300) stromab des
Wärmetauschers (5, 7) derart angeordneten Strömungsmaschine (22), dass sie vom unter hohem Druck stehenden dampfförmigen Wärmefluid durchströmt wird, wobei das Wärmefluid entspannt und abkühlt, - einem Verdichter (204a, 204b, 304a, 304b), welcher strömungstechnisch der Strömungsmaschine (22) nach- und dem Wärmetauscher (5, 7) vorgeschaltet ist und zum Kondensieren des Wärmefluids ausgestaltet ist; wobei das Wärmefluid derart ausgewählt ist, dass sich durch Ausnutzung einer Temperaturspreizung mit einer Maximaltemperatur von nicht mehr als 13O0C eine Dampfdruckdifferenz von wenigstens 0,5 MPa realisieren lässt.
10. Vorrichtung nach Anspruch 9, in dem das Wärmefluid so gewählt ist, dass bei einer Temperaturspreizung von nicht mehr als 50° C mit einer Maximaltemperatur von nicht mehr als 30° C die Dampfdruckdifferenz von wenigstens 0,5 MPa erzielbar ist.
11. Vorrichtung nach Anspruch 9 oder 10, in dem das Wärmefluid ausgewählt ist aus der Gruppe: Kohlendioxid, Ethan, Propan, Ammoniak.
12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 11 , in der
- die Wärmequelle das Erdreich (20) ist, und
- ein Kältekreislauf (1) mit einem darin zirkulierenden Kältefluid (15, 19) vorhanden ist, welcher eine in einer Erdbohrung zu versenkende Erdwärmesonde (9) umfasst, in die flüssiges
Kältefluid (15) injiziert wird und in der das flüssige Kältefluid (15) auf Grund der Erdwärme des die Erdwärmesonde umgebenden Erdreiches (20) verdampft, und welcher wenigstens einen Wärmetauscher (5, 7) umfasst, in dem das dampfförmige Kältefluid kondensiert und der den Kältekreislauf (1) mit dem
Wärmekreislauf (200, 300) koppelt.
13. Vorrichtung nach Anspruch 12, welche außerdem einen zwischen der Erdwärmesonde (9) und dem Wärmetauscher (5, 7) angeordneten Verdichter (11) umfasst.
14. Vorrichtung nach Anspruch 12 oder Anspruch 13, welche eine Einrichtung zum Beeinflussen des im Kältekreislauf zirkulierenden Kältefluidmassenstroms umfasst.
15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 14 in der der Wärmekreislauf umfasst:
- einen der Strömungsmaschine (22) in Strömungsrichtung vorgeschalteten Druckaufbauraum (201 , 301), in welchem der Wärmetauscher (5, 7) angeordnet ist;
- ein der Strömungsmaschine (22) in Strömungsrichtung nachgeschaltetes Reservoir (205, 305), in dem das wieder verdichtete Wärmefluid gesammelt wird; und
- eine das Reservoir (205, 305) mit dem Druckaufbauraum (201 , 301) verbindende Fluidleitung (207, 307), in der ein Ventil (209,
309) derart angeordnet ist, dass eine Strömung vom Druckaufbauraum (201 , 301) in das Reservoir (205, 305) unter Umgehung der Strömungsmaschine (22) verhindert wird.
16. Vorrichtung nach Anspruch 15, in der mehrere über Wärmetauscher (5, 7) mit dem Kältekreislauf (1) gekoppelte Wärmekreisläufe (200, 300) vorhanden sind, welche jeweils einen Druckaufbauraum (201 , 301), ein Reservoir (205, 305) und die Strömungsmaschine (22) umfassen.
17. Vorrichtung nach Anspruch 16 mit einer auf die Wärmekreisläufe (200, 300) derart einwirkenden Steuereinheit, dass Phasen des Druckaufbaus in den Druckräumen (201 , 301) der Wärmekreisläufe (200, 300) gegeneinander phasenverschoben auftreten.
18. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 17, in der der Verdichter (204a, 204b, 304a, 304b) wenigstens einen Wärmetauscher und einen Sekundärkreislauf (206, 306) umfasst, in dem ein Sekundär- wärmefluid zirkuliert, und der Sekundärkreislauf (206, 306) mit einem im Druckbehälter (201 , 301) angeordneten Wärmetauscher verbunden ist.
19. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 18, in der die Strömungsmaschine (22) mit wenigstens einem Generator (211 , 311) gekoppelt ist.
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