DE102005049215A1

DE102005049215A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Gewinnung von mechanischer oder elektrischer Energie aus Wärme

Info

Publication number: DE102005049215A1
Application number: DE102005049215A
Authority: DE
Inventors: Alf Gundermann; Karl Mrukwia
Original assignee: Individual
Current assignee: Intec De GmbH
Priority date: 2005-10-07
Filing date: 2005-10-07
Publication date: 2007-04-19
Also published as: WO2007042215A1; EP1941160A1

Abstract

Es wird ein Verfahren zur Gewinnung von mechanischer Energie aus Wärme zur Verfügung gestellt. Dieses umfasst die Schritte: DOLLAR A - Entziehen von Wärme aus einer Wärmequelle; DOLLAR A - 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; DOLLAR A wobei DOLLAR A - das unter hohem Druck stehende Wärmefluid eine Strömungsmaschine (22) durchströmt und dabei unter Abkühlung und Entspannung Arbeit leistet; DOLLAR A - das nach dem Durchströmen der Strömungsmaschine entspannte und abgekühlte Wärmefluid wieder kondensiert wird und DOLLAR A - der Druck des kondensierten Wärmefluids wieder mittels der Wärme der Wärmequelle erhöht wird und DOLLAR A - das Wärmefluid derart ausgewählt ist, dass sich durch Ausnutzung einer Temperaturspreizung mit einer Maximaltemperatur von nicht mehr als 130 DEG C eine Dampfdruckdifferenz von wenigstens 0,5 MPa realisieren lässt.

Description

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 10°C bei 50 Atmosphären und bei 20°C 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 Energiegewinnung 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 130°C, insbesondere mit einer Maximaltemperatur von nicht mehr als 60°C und vorzugsweise einer Maximaltemperatur von nicht mehr als 30°C 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 50°C 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 10°C, 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 10°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 Temperaturspreizung von 10°C bis 20°C völlig aus, um die Turbine anzutreiben. So hat beispielsweise Ethan (C₂H₆) bei 20°C einen Dampfdruck von ca. 4 MPa, also von etwa 40 Atmosphären. Kohlendioxid hat bei 20°C sogar einen Dampfdruck von ca. 6 MPa, also 60 Atmosphären. Die Dampfdrücke von Ethan und Kohlendioxid bei 0°C 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 0°C und 20°C kann daher im Falle von Ethan einen Druckunterschied von etwa 15 Atmosphären und bei Kohlendioxid von etwa 25 Atmosphären herbeiführen. Bei einer Minimaltemperatur von 10°C 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. 20°C, die Erdwärme zum Antreiben der Strömungsmaschine zu nutzen. Als Kältefluid kommen Fluide in Betracht, welche bei niedrigem Druck in einem Temperaturbereich von 0°C bis –30°C 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 20°C 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 20°C 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 20°C des Erdreiches erwärmt werden. Bei einfacher Verdichtung sind bei einer Temperatur von 20°C im Erdreich Temperaturen von bis zu 55°C 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 130°C, insbesondere mit einer Maximaltemperatur von nicht mehr als 60°C und vorzugsweise einer Maximaltemperatur von nicht mehr als 30°C 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 50°C 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 (C₃H₈) 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 Sekundärwärmekreislauf, 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 verdichtete 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 Sekundärwärmekreislauf 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.
1 zeigt ein Schaltbild für eine erfindungsgemäße Vorrichtung zum Gewinnen mechanischer bzw. elektrischer Energie aus Erdwärme.
2 zeigt eine Erdwärmesonde, wie sie in der erfindungsgemäßen Vorrichtung Verwendung finden kann, in einer schematischen Darstellung.
3 zeigt die Dampfdruckkurven verschiedener Fluide.
Ein Ausführungsbeispiel für die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Gewinnung von mechanischer Energie aus Erdwärme ist in 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 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 thermodynamischen 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. 3). Bei einer Temperatur von 0°C 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 18°C noch immer etwa 4 MPa (ca. 40 Atmosphären) und der Dampfdruck bei 0°C 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 55°C im komprimierten gasförmigen Kältefluid erreichbar. Bei doppelter Verdichtung können sogar Temperaturen von über 100°C 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

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 130°C eine Dampfdruckdifferenz von wenigstens 0,5 MPa realisieren lässt.
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.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, in dem das Wärmefluid ausgewählt ist aus der Gruppe: Kohlendioxid, Ethan, Propan, Ammoniak.
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.
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).
Verfahren nach Anspruch 5, in dem die mechanische bzw. elektrische Leistung der Strömungsmaschine (22) über den zirkulierenden Kältefluidstrom geregelt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, in dem ein Komprimieren des gasförmigen Kältefluids (19) vor dem Übertragen der Wärme auf den Wärmekreislauf (200, 300) erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, in dem die Strömungsmaschine (22) einen elektrischen Generator (24) antreibt.
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 130°C eine Dampfdruckdifferenz von wenigstens 0,5 MPa realisieren lässt.
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.
Vorrichtung nach Anspruch 9 oder 10, in dem das Wärmefluid ausgewählt ist aus der Gruppe: Kohlendioxid, Ethan, Propan, Ammoniak.
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.
Vorrichtung nach Anspruch 12, welche außerdem einen zwischen der Erdwärmesonde (9) und dem Wärmetauscher (5, 7) angeordneten Verdichter (11) umfasst.
Vorrichtung nach Anspruch 12 oder Anspruch 13, welche eine Einrichtung zum Beeinflussen des im Kältekreislauf zirkulierenden Kältefluidmassenstroms umfasst.
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.
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.
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.
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 Sekundärwärmefluid zirkuliert, und der Sekundärkreislauf (206, 306) mit einem im Druckbehälter (201, 301) angeordneten Wärmetauscher verbunden ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 18, in der die Strömungsmaschine (22) mit wenigstens einem Generator (211, 311) gekoppelt ist.