DE102006008600A1

DE102006008600A1 - Effizientes Niedertemperatur-Energieerzeugungsverfahren mit integriertem Energiespeicher

Info

Publication number: DE102006008600A1
Application number: DE102006008600A
Authority: DE
Inventors: Helmut Nopper
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2006-02-13
Filing date: 2006-02-13
Publication date: 2007-08-16

Abstract

Verfahren zum Betrieb einer Wärmekraftanlage, bei dem ein flüssiges Arbeitsmedium in einem Primärprozess in eine Verdampfereinheit gefördert wird und dort verdampft. Das dampfförmige Arbeitsmedium wird anschließend einer kombinierten Entspannungs- und Verdichtereinheit zugeführt. Dabei wird die bei der Verdichtung des Sekundärmediums anfallende Wärme genutzt wird um das Arbeitsmedium weiter zu erhitzen bevor es in weiterer Folge in einer Kraftmaschine entspannt wird. Die dabei erzielte Antriebleistung wird für den Antrieb der Verdichtereinheit genutzt. Nach Abschluss des Entspannungsvorgangs im Verdichterantrieb wird das Arbeitsmedium einer Kondensatoreinheit zugeführt. und anschließend in den Verdampfer zurückgefördert. Die Verdichtereinheit erhöht in einem Sekundärprozess den Druck eines angesaugten Gases und fördert dieses in einen Druckbehälter. Bei Bedarf von mechanischer Energie wird aus dem Druckbehälter Gas entnommen und an eine Kraftmaschine weitergeleitet. Dort wird das Gas in einem Prozess entspannt und erzeugt mechanische Energie. Die bei der Gasentspannung entstehende Kälte wird im Sinne eines Kombi-Prozesses in den Primärprozess zurückgeführt und...

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Nutzung von Niedertemperatur-Energie zum Betrieb einer Wärmekraftanlage. Das Verfahren nutzt die in einem Primärprozess erzeugte mechanische Arbeitsleistung um in einem Sekundärprozess ein Gas zu verdichten und anschließend in einem Druckbehälter zu speichern. Die bei der Verdichtung anfallende Wärme wird in den Primärprozess zurückgeführt dient der Erhöhung des Wirkungsgrads.

Es ist bekannt, dass effiziente thermische Energieerzeugungsanlagen zur Stromproduktion im Bereich hoher Temperaturen betrieben werden. Abwärmenutzung im Bereich niedriger Temperaturen gilt als technisch aufwendig und unwirtschaftlich. Auch auf dem Gebiet der regenerativen Energieerzeugung ist in vielen Fällen die Wirtschaftlichkeit der Stromerzeugung fragwürdig. So haben z.B. Photovoltanik-Anlagen einen nur schlechten Wirkungsgrad von 15–20%. Da die Erzeugungskapazität von Photovotanik-Anlagen von der jeweiligen Sonneneinstrahlung abhängig ist, müssen zur Gewährleistung der Versorgungssicherheit sonnenunabhängige Ersatzkapazitäten vorgehalten werden.

Eine wirtschaftliche Nutzung von z.B. Regenerativen Energien bzw. von Abwärmenutzungssystem kann erreicht werden durch einen Niedertemperaturprozess, mit verbessertem Wirkungsgrad und der Möglichkeit zur Speicherung der erzeugten Energie. Damit können regenerative Energiequellen und Abwärme wirtschaftlich genutzt werden. Der Energiespeicher macht die Stromproduktion unabhängig von der aktuellen Verfügbarkeit der Wärmequelle.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Wärmekraftprozess zu entwickeln, der auch im Niedertemperaturbereich effizient betrieben werden. Durch die Koppelung mit einem Verdichtungsprozess kann die aus der Verdichtung resultierende Prozesswärme in den Wärmekraftprozess rückgeführt werden. Das in der Verdichtungsanlage erzeugte, verdichtete Gas ist speicherbar und kann zur Abdeckung von Spitzenlastbedarf genutzt werden

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass in einem Primärprozess ein vom Siedeverhalten und Druckverhältnis angepasstes Arbeitsmedium (z.B. Ammoniak, Alkohol, etc.) von einem Kondensatsammler (1/a) in eine Verdampfereinheit (1/b) gefördert und dort verdampft. Das dampfförmige Arbeitsmedium wird einer kombinierten Entspannungs- und Verdichtereinheit (1/f, d) zugeführt. Diese Einheit besteht aus einer Ein- od. mehrstufigen Verdichteranlage (1/f) zur Verdichtung von Umgebungsluft (Sekundärprozess) und einem vom Dampfdruck des Arbeitsmediums betriebenen Kraftmaschine (1/d), die den Verdichter antreibt. Dabei wird das dampfförmige Arbeitsmedium in einer Weise an der Verdichtereinheit vorbeigeleitet, dass mit Hilfe von Wärmeübertragsvorrichtungen (1/c) eine Rückgewinnung der bei der Verdichtung entstehende Wärme auf das Arbeitsmedium erfolgt. Dabei wird im Sinne eines Kombi-Prozesses die bei der Verdichtung anfallende Wärme genutzt um das Arbeitsmedium weiter zu erhitzen bevor es in weiterer Folge dem Entspannungsraum der Kraftmaschine zum Antrieb der Verdichtereinheit (1/d) zugeführt wird.
Nach Abschluss des Entspannungsvorgangs im Verdichterantrieb wird das Arbeitsmedium einer Kondensatoreinheit e) zugeführt. Dort wird das Arbeitsmedium verflüssigt und anschließend in den Verdampfer b) zurückgefördert.
Die Verdichtereinheit (1/f) erhöht in einem ein- oder mehrstufigen Prozess den Druck der angesaugten Umgebungsluft und fördert diese in einen Druckluftsammelbehälter (1/g). Bei Bedarf von z.B. elektrischer Energie wird aus dem Druckluftsammelbehälter (1/g) Druckluft entnommen und an eine Kraftmaschine (1/h) weitergeleitet. Dort wird die Druckluft in einem ein- oder mehrstufigem Prozess entspannt und treibt einen Generator zur Stromerzeugung an. Die bei der Druckluftentspannung entstehende Kaltluft wird im Sinne eines Kombi-Prozesses in den Primärprozess zurückgeführt und dient der Kühlung des Arbeitsmediums in der Kondensatoranlage (1/e).
In einem Anwendungsbeispiel wird in einem Primärprozess ein Arbeitsmedium (2/a) (z.B. Ammoniak, Alkohol, etc.) in einem Verdampfer (2/1) (Wärmetauscher od. Solarkollektor) verdampft. Das dampfförmige Arbeitsmedium wird der kombinierten Entspannungs- und Verdichtereinheit (2/A) zugeführt. Diese Einheit besteht aus einem Dreistufigen Kompressor zur Verdichtung von Umgebungsluft (Sekundärprozess) und einem vom Dampfdruck des Arbeitsmediums betriebenen Kolbenmaschine, die den Kompressor antreibt. Dabei wird das dampfförmige Arbeitsmedium in einer Weise an den Zylindern der Kompressoreinheit vorbeigeleitet, dass mit Hilfe von Wärmeübertragungshilfen (2/2) die bei der Verdichtung entstehende Wärme im Sinne eines Kombi-Prozesses auf das Arbeitsmedium übertragen wird. Dabei wird das Arbeitsmedium erhitzt, in weiterer Folge in die HD-Kammer geleitet und von dort über eine Steuervorrichtung dem Entspannungsraum der Kolbenmaschine zugeführt.
Der dabei durch das Arbeitsmedium angetriebene Antriebskolben überträgt die Antriebsenergie an die Verdichtereinheit über eine gemeinsame Antriebsstange. Nach Abschluss des Entspannungsvorgangs wird das Arbeitsmedium einer Kondensatoreinheit (2/B) zugeführt. Das Arbeitsmedium wird in einem Kondensator verflüssigt und anschließend in den Verdampfer zurückgefördert.
Die Verdichtereinheit erhöht in einem dreistufigen Prozess die angesaugte Umgebungsluft und fördert diese in einen Druckluftsammelbehälter (2/3). Bei Bedarf von elektrischer Energie wird aus dem Druckluftsammelbehälter (2/3) Druckluft entnommen und an eine ein- oder mehrstufige Druckluftentspannungseinheit weitergeleitet. Dort wird die Luft in einem zweistufigem Prozess entspannt und treibt einen Generator zur Stromerzeugung an. Die bei der Druckluftentspannung entstehende Kaltluft wird für jede Entspannungsstufe im Sinne eines Kombiprozesses in den Primärprozess zurückgeführt und dient der Kühlung des Kondensators.
Wird keine elektrische Energie benötigt, so wird die durch den Prozess erzeugte Druckluft in einen Druckluftspeicher (2/3) gefahren. In diesem Betriebszustand erfolgt die Kühlung des Kondensators über einen unabhängigen Kühlkreis mit Kaltwasser oder Umluft.

Claims

Verfahren zum Betrieb einer Wärmekraftanlage, bei dem ein flüssiges Arbeitsmedium in einem Primärprozess in eine Verdampfereinheit gefördert wird und dort verdampft. Das dampfförmige Arbeitsmedium wird anschließend einer kombinierten Entspannungs- und Verdichtereinheit zugeführt. Dabei wird die bei der Verdichtung des Sekundärmediums anfallende Wärme genutzt wird um das Arbeitsmedium weiter zu erhitzen bevor es in weiterer Folge in einer Kraftmaschine entspannt wird. Die dabei erzielte Antriebleistung wird für den Antrieb der Verdichtereinheit genutzt. Nach Abschluss des Entspannungsvorgangs im Verdichterantrieb wird das Arbeitsmedium einer Kondensatoreinheit zugeführt. und anschließend in den Verdampfer zurückgefördert. Die Verdichtereinheit erhöht in einem Sekundärprozess den Druck eines angesaugten Gases und fördert dieses in einen Druckbehälter. Bei Bedarf von mechanischer Energie wird aus dem Druckbehälter Gas entnommen und an eine Kraftmaschine weitergeleitet. Dort wird das Gas in einem Prozess entspannt und erzeugt mechanische Energie. Die bei der Gasentspannung entstehende Kälte wird im Sinne eines Kombi-Prozesses in den Primärprozess zurückgeführt und dient der Kühlung des Primärarbeitsmediums in der Kondensatoranlage. a) Verfahren entsprechend Anspruch 1) wobei die kombinierte Entspannungs- und Verdichtereinheit so ausgeführt ist, dass die ein- oder mehrstufige Verdichtereinheit über eine mechanische Vorrichtung direkt mit der Entspannungseinheit gekoppelt ist. b) Verfahren entsprechend Anspruch 1) wobei die Verdichtereinheit so gestaltet ist, dass mehrere an einem Gestänge angebrachten Kolben mit unterschiedlichen Durchmessern synchron betrieben werden. c) Verfahren entsprechend Anspruch 1) wobei das aus dem Sekundärprozess zum Antrieb einer Kraftmaschine entnommene Gas nach erfolgter Abkühlung zur Kühlung des Primärarbeitsmediums genutzt und anschließend weiter erwärmt wird. Dabei erfolgt die Erwärmung über z.B. einen Umluft-Wärmetauscher, einen Solar-Kollektor, einen Abwärme-Wärmetauscher oder einen fossilen Verbrennungsvorgang.