DE102006035272B4

DE102006035272B4 - Method and device for using low-temperature heat for power generation

Info

Publication number: DE102006035272B4
Application number: DE102006035272A
Authority: DE
Inventors: Siegfried Dr. Westmeier; Daniel Nestke
Original assignee: TECHNIKUM CORP; Technikum Corp EVH GmbH
Current assignee: TECHNIKUM CORP; Technikum Corp EVH GmbH
Priority date: 2006-07-31
Filing date: 2006-07-31
Publication date: 2008-04-10
Anticipated expiration: 2026-08-01
Also published as: DE102006035272A1; WO2008014774A3; US20090266075A1; WO2008014774A2; AU2007280834A1; RU2009106716A; CA2662463A1; EP2078140A2; KR20090035735A

Abstract

Verfahren zur Nutzung von Niedertemperaturwärme zur Stromerzeugung unter Verwendung von überkritischem Kohlendioxid als Arbeitsmittel, gekennzeichnet dadurch, dass Niedertemperaturwärme einer Wärmequelle (1) durch unter hohem, überkritischem Druck stehendes Kohlendioxid als Wärmeträger aufgenommen wird, wobei das Kohlendioxid als Arbeitsmittel fungiert, danach arbeitsleistend über eine Expansionsmaschine (2), die mit einem Generator (3) gekoppelt ist, entspannt wird, sich dabei abkühlt, anschließend unter Einsatz einer Kältequelle (4) weiter verflüssigt wird, in flüssiger Form wieder auf den Arbeitsdruck komprimiert und in einem Hochdruck-Zwischenspeicher (6) bereitgestellt wird.method for the use of low-temperature heat for power generation under Use of supercritical Carbon dioxide as a working medium, characterized in that low-temperature heat of a heat source (1) by high, supercritical Compressive carbon dioxide is absorbed as a heat transfer medium, wherein the carbon dioxide acts as a means of work, then working on a Expansion machine (2) coupled to a generator (3), relaxes, cools down, subsequently using a cold source (4) further liquefied will, in liquid Form compressed again to the working pressure and in a high-pressure buffer (6) is provided.

Description

Die Erfindung betrifft die zusätzliche Nutzung von Niedertemperaturwärme zur Stromerzeugung unter Verwendung von überkritischem Kohlendioxid als Arbeitsmittel.The Invention relates to the additional Use of low temperature heat for power generation using supercritical carbon dioxide as work equipment.

Stand der TechnikState of the art

Für die Nutzung von Niederenergiewärme aus Verbrennungs- und Reaktionsprozessen, sowie aus solar- und geothermischen Prozessen gibt es bisher im Wesentlichen zwei Verfahren:

1. Beim OCR (Organic-Rankine-Cycle) – Verfahren wird über einen Wärmetauscher dem Prozessmedium Wärme entzogen und zur Dampferzeugung benutzt. Hierzu werden wegen der niedrigen Temperaturen entweder Kältemittel, Kältemittelgemische oder niedrigsiedende organische Stoffe, wie z.B. Pentan eingesetzt, verdampft und über eine Dampfturbine arbeitsleistend entspannt, wobei ein Generator angetrieben wird. Der entspannte Dampf wird meist zur Vorwärmung genutzt und dann kondensiert. Die Kondensationswärme wird an die Umwelt abgegeben. Die Leistungsfähigkeit wird dabei je nach eingesetztem Arbeitsmittel bestimmt von der Kondensationstemperatur (Umgebungstemperatur) und der erreichbaren Verdampfungstemperatur von etwa 300 K bis 625 K. Die Wärmeübertragung erfolgt in der Regel über einen Silikonölkreislauf. Eine abgewandelte Version des OCR-Verfahrens für kleine Leistungen ist auch als edc-Verfahren bekannt. Das edc-Verfahren arbeitet mit Kondensationstemperaturen von etwa 248 K bis 350 K und benutzt speziell angepasste Turbinen. Der erreichbare Wirkungsgrad einer ORC-Anlage beträgt bei einem Temperaturniveau von 100°C etwa 6,5% und bei einem Temperaturniveau von 200°C etwa 13–14%.
2. Beim Kalina-Verfahren wird über einen Wärmetauscher dem Prozessmedium die Wärme mittels einer gesättigten Ammoniak-Wasser-Lösung entzogen, wobei Ammoniak ausgetrieben wird. Der Ammoniakdampf wird über eine Turbine entspannt und treibt über diese einen Generator an. Danach wird das Ammoniak im abgekühlten Zustand wieder gelöst. Hierbei werden laut Literaturangaben etwas höhere Wirkungsgrade von etwa 18% erreicht. Vorteilhaft ist dabei auch ein einfacherer verfahrenstechnischer Aufbau der Anlage, sowie der deutlich breitere wirksame Temperaturbereich des Arbeitsmediums.

For the use of low-energy heat from combustion and reaction processes, as well as from solar and geothermal processes, there are essentially two methods:

1. In the OCR (Organic Rankine Cycle) process, heat is extracted from the process medium via a heat exchanger and used to generate steam. For this purpose, because of the low temperatures, either refrigerant, refrigerant mixtures or low-boiling organic substances, such as pentane used, evaporated and expanded work via a steam turbine, a generator is driven. The relaxed steam is usually used for preheating and then condensed. The heat of condensation is released to the environment. Depending on the working medium used, the efficiency is determined by the condensation temperature (ambient temperature) and the achievable evaporation temperature of about 300 K to 625 K. The heat transfer is usually via a silicone oil circuit. A modified version of the small power OCR method is also known as the edc method. The EDC process works with condensation temperatures from about 248 K to 350 K and uses specially adapted turbines. The achievable efficiency of an ORC system is about 6.5% at a temperature level of 100 ° C and about 13-14% at a temperature level of 200 ° C.
2. In the Kalina process, the heat is removed from the process medium by means of a saturated ammonia-water solution, whereby ammonia is expelled. The ammonia vapor is released via a turbine and drives a generator over it. Thereafter, the ammonia is dissolved in the cooled state again. According to the literature, slightly higher efficiencies of about 18% are achieved. Another advantage is a simpler procedural design of the system, as well as the much wider effective temperature range of the working medium.

Nachteilig bei diesem Verfahren sind jedoch die materialtechnischen Probleme, die sich aus der Aggressivität des Ammoniak-Wasser-Gemisches ergeben und die sich bei diesem bisher praktisch wenig erprobten Verfahren in einer Verringerung der Laufzeit auswirken würden. Ein weiterer Nachteil ist durch eventuelle Emissionen des hochgiftigen und umweltgefährdenden Ammoniaks bei möglichen Leckagen gegeben. Weitere, aus der Patentliteratur bekannte Verfahren haben sich bisher noch nicht technisch realisieren lassen.adversely in this process, however, the material-technical problems, resulting from the aggressiveness of the ammonia-water mixture result and in this far Practically unproven procedures in reducing run time would affect. Another disadvantage is due to possible emissions of highly toxic and environmentally hazardous Ammonia at possible Leaks are given. Further, known from the patent literature method have not yet been technically feasible.

Der vorliegenden Erfindung kommen die Lösungen nach den Druckschriften DE 196 32 019 C2 und US 4 765 143 am nächsten.The present invention provides the solutions according to the documents DE 196 32 019 C2 and US 4,765,143 the next.

In der Druckschrift nach DE 196 32 019 C2 wird überkritisches Kohlendioxid als Arbeitsmedium zur Nutzung von Niedertemperaturwärme im Temperaturbereich von 40 bis 65°C eingesetzt. Dabei wird der Druckbereich so gewählt, dass der kritische Druck nicht unterschritten wird. Die Rückverdichtung erfolgt ausschließlich im fluiden Bereich. Dadurch bedingt sind die Kosten der Verdichtung zur Erzeugung des höheren Arbeitsdruckes relativ hoch. Nachteilig ist auch die Trennung in einen Arbeitskreis und einen Strömungskreis, die über einen Wärmeüberträger gekoppelt sind. Dies ist zwangsläufig mit höheren Verlusten verbunden.In the document after DE 196 32 019 C2 is used supercritical carbon dioxide as a working medium for the use of low-temperature heat in the temperature range of 40 to 65 ° C. The pressure range is chosen so that the critical pressure is not undershot. The recompression takes place exclusively in the fluid area. As a result, the cost of compression to generate the higher working pressure is relatively high. Another disadvantage is the separation into a working group and a flow circuit, which are coupled via a heat exchanger. This inevitably involves higher losses.

In der Patentschrift nach US 4 765 143 wird die Nutzung eines Speichers mit Kohlendioxid am Tripelpunkt vorgeschlagen, dessen Fest-Flüssig-Mischung mittels eines Kälteerzeugers bei Überangebot erzeugt wird und der dann beim Betrieb als Spitzenkraftwerk dazu dient, die Verflüssigung von Kohlendioxid vorzunehmen. Auf diese Weise lassen sich Lastwechsel im elektrischen Netz z.B. im Tag-Nacht-Rhythmus ausgleichen. Im eigentlichen Arbeitskreis wird ebenfalls mit Kohlendioxid gearbeitet. Angaben über erreichte Wirkungsgrade sind nicht angegeben. Nachteilig bei diesem Verfahren ist die relativ hohe erforderliche Mindesttemperatur von über 200°C im Falle der Niedertemperaturwärmenutzung und energetisch gesehen der relativ niedrige Arbeitsdruck. Damit können nach unserer Erfahrung keine hohen Wirkungsgrade bei der Erzeugung von Elektroenergie erreicht werden.According to the patent US 4,765,143 the use of a store with carbon dioxide at the triple point is proposed, the solid-liquid mixture is generated by means of a chiller at oversupply and then used in operation as a peak power plant to make the liquefaction of carbon dioxide. In this way, load changes in the electrical network, for example in the day-night rhythm can be compensated. The actual working group also works with carbon dioxide. Data on achieved efficiencies are not indicated. A disadvantage of this method is the relatively high required minimum temperature of over 200 ° C in the case of low-temperature heat and, in energy terms, the relatively low working pressure. Thus, in our experience, no high levels of efficiency in the production of electric energy can be achieved.

Ebenfalls mit Kohlendioxid als Arbeitsmittel arbeitet ein Verfahren zur Erdwärmenutzung, welches aus der Patentschrift US 3,875,749 bekannt ist. Dieses Verfahren arbeitet nur im fluiden Bereich und im Gasgebiet, wobei das Kohlendioxid als Arbeitsmittel dient, in einem unterirdischen Speicher im komprimierten Zustand Wärme aufnimmt und dann über eine Turbine arbeitsleistend entspannt wird. Danach erfolgt eine erneute Kompression in den fluiden Bereich hinein. Nachteilig bei dem beschriebenen Verfahren sind die konstruktiv sehr aufwendig gestaltete Form der unterirdischen Wärmetauscher und die Gefahr der Ermüdung des Erdwärmepotentials in der Nähe der Kaverne durch Auskühlung.Also working with carbon dioxide as a working medium, a method for geothermal use, which from the patent US 3,875,749 is known. This method operates only in the fluid area and in the gas area, the carbon dioxide is used as a working medium, absorbs heat in an underground storage in the compressed state and is then released via a turbine to perform work. Thereafter, a new compression takes place in the fluid area. A disadvantage of the method described are the structurally very elaborate design of the underground heat exchanger and the risk of fatigue of Erdwär mepotentials near the cavern by cooling.

Aufgabe der ErfindungObject of the invention

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Anlage zur Anwendung des Verfahrens zu entwickeln, deren Wirkungsgrade höher als bei bekannten Verfahren sind und deren Arbeitsbereiche ein breiteres Temperaturband und damit eine Regelbreite umfassen, die es erlauben, optimale Fahrweisen in Abhängigkeit von örtlichen Gegebenheiten und dem Klima, z.B. bei Sommer- und Winterbetrieb ohne konstruktive Änderungen zu gewährleisten, bei gleichzeitig einfacherem konstruktivem Aufbau, vergleichsweise geringem materialtechnischen Aufwand und ohne zusätzliche Umweltgefährdungen. Gleichzeitig soll ein Beitrag zur Verringerung der Kohlendioxidemission erreicht werden.task The invention is a method and an installation for use of the process to develop their efficiencies higher than in known processes and their work areas are a wider temperature band and thus include a rule width that allow optimal driving styles depending on local Conditions and the climate, e.g. in summer and winter operation without constructive changes to ensure, at the same time simpler construction, comparatively low material complexity and without additional Environmental hazards. At the same time, it should contribute to reducing carbon dioxide emissions be achieved.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass Niedertemperaturwärme einer Wärmequelle durch unter hohem überkritischen Druck stehendes Kohlendioxid als Wärmeträger aufgenommen wird, danach arbeitsleistend über eine Expansionsturbine, die mit einem Generator gekoppelt ist, entspannt wird, sich dabei abkühlt, wobei das Kohlendioxid als Arbeitsmittel fungiert, anschließend unter Einsatz einer Kältequelle verflüssigt und in flüssiger Form wieder auf den Arbeitsdruck komprimiert wird.These Task is inventively characterized solved, that low temperature heat a heat source by under high supercritical Pressure carbon dioxide is absorbed as a heat transfer medium, then working over an expansion turbine coupled to a generator relaxes is cooled while the carbon dioxide acts as a working medium, then under Use of a cold source liquefied and in liquid Form is compressed back to the working pressure.

Das Verfahren besitzt als wesentliche Elemente mindestens eine externe Wärmequelle, mindestens eine Expansionsmaschine mit angeschlossenem Generator, mindestens einem Wärmetauscher mit Verflüssiger und eine Pumpe zur Kompression des flüssigen Kohlendioxids auf überkritische Drücke, mindestens einem Kohlendioxid-Speicher sowie die dazugehörigen Regeleinrichtungen und Ventile. Es ist gekennzeichnet dadurch, dass als Wärmeträger und Arbeitsmittel Kohlendioxid unter Druck verwendet wird, wobei dieses Kohlendioxid bei niedrigen Temperaturen verflüssigt wird, dann im flüssigen Zustand komprimiert wird bis auf überkritische Drücke, bei dieser Drücken zwischengespeichert und für den Prozess bereitgestellt wird, in diesem Druckbereich thermische Energie aus der Wärmequelle aufnimmt, danach über eine Expansionsmaschine arbeitsleistend entspannt wird, wobei die Expansionsmaschine einen Generator antreibt, das Kohlendioxid sich dabei abkühlt und die Endtemperatur nach dem jeweils gewünschten Verflüssigungsdruck eingeregelt wird. Danach erfolgen die Verflüssigung beim entsprechenden Druck durch eine Kältequelle zur Abführung der Kondensationswärme. Die anschließende Druckerhöhung auf den überkritischen Arbeitsdruck über eine Flüssigpumpe benötigt vergleichsweise wenig Energie. Die mögliche Temperaturerhöhung im Zwischenspeicher bewirkt nochmals eine Wirkungsgradverbesserung.The Method has as essential elements at least one external Heat source at least one expansion machine with connected generator, at least one heat exchanger with condenser and a pump for compressing the liquid carbon dioxide to supercritical pressures at least one carbon dioxide storage as well as the corresponding ones Control devices and valves. It is characterized by the fact that as a heat carrier and Working agent carbon dioxide is used under pressure, this being Carbon dioxide is liquefied at low temperatures, then in the liquid state is compressed down to supercritical pressures at this press cached and for the process is provided, in this pressure range thermal Energy from the heat source then over an expansion machine is performing work, the Expansion engine drives a generator, the carbon dioxide itself cools and the final temperature according to the respective desired condensing pressure is adjusted. Thereafter, the liquefaction takes place at the corresponding Pressure by a cold source to the exhaustion the condensation heat. The subsequent pressure increase to the supercritical Working pressure over a liquid pump needed comparatively little energy. The possible temperature increase in the Caching again improves the efficiency.

Im Vergleich zum Einsatz von Wasserdampf ergeben sich zahlreiche Vorteile. Zum einen entfällt die kostspielige Wasseraufbereitung. Zum anderen werden durch die überkritische Fahrweise die relativ hohen Verluste im Abhitzekessel vermieden, die dadurch entstehen, das die Verläufe der Abkühlkurve des Gases und der Aufwärmkurve des Dampfes mit der Verdampfung zu großen Temperaturdifferenzen führen. Die deswegen oft angewandten Zweidruck- und Dreidruckdampfprozesse zur besseren Anpassung der Dampfkurve an die Abgaskurve führen in jedem Fall zu erhöhtem Material- und Regelaufwand.in the Compared to the use of steam, there are numerous advantages. For one thing does not apply the expensive water treatment. On the other hand, by the supercritical Driving style avoided the relatively high losses in the waste heat boiler, the resulting, the courses of the cooling curve of the gas and the warm-up curve the vapor with the evaporation lead to large temperature differences. The therefore often used two-pressure and three-pressure steam processes for better adaptation of the vapor curve to the exhaust curve lead in in each case to increased Material and control effort.

Die Wahl des überkritischen Gebietes zur Wärmeaufnahme vermeidet diese Schwierigkeiten und ist auch wegen der dort für den Wärmetausch besonders günstigen thermodynamischen Bedingungen bei einer Nutzung niederenergetischer Wärme besonders interessant. Hierzu zählen hohe Werte der Wärmekapazität sowie niedrige Werte der Viskosität, verbunden mit einer dem Wasserdampf vergleichbaren Wärmeleitfähigkeit. Nach unten ist der thermodynamisch verfügbare Zustandsbereich durch den Tripelpunkt des Kohlendioxids bei etwa 217 K, entsprechend einem Druck von etwa 0,55 MPa begrenzt. Nach oben gibt es weder beim Druck noch bei der nutzbaren Temperatur thermodynamische Grenzen. Begrenzungen anderer Art sind jedoch aus praktischen und materialtechnischen Gründen gegeben.The Election of the supercritical Area for heat absorption avoids these difficulties and is also there for heat exchange especially favorable thermodynamic conditions when using low-energy heat especially Interesting. Which includes high values of heat capacity as well low values of the viscosity, connected to a water vapor comparable thermal conductivity. Down the thermodynamically available state range is through the triple point of carbon dioxide at about 217 K, corresponding to one Pressure limited by about 0.55 MPa. Upwards there is neither pressure thermodynamic limits even at the usable temperature. limitations of a different kind, however, are of practical and material technical establish given.

Ein zusätzlicher Vorteil der Verwendung von Kohlendioxid gegenüber dem OCR-Verfahren ergibt sich daraus, dass der Einsatz zusätzlicher Wärmetauscher entfällt, weil das Wärmeträgermedium im geschlossenem Kreislauf geführt wird, wobei es gleichzeitig als Arbeitsmedium im selbem Kreislauf dient.One additional Advantage of the use of carbon dioxide compared to the OCR method results from the fact that the Use additional heat exchangers does not apply because the heat transfer medium run in a closed circuit being at the same time as a working medium in the same cycle serves.

Weitere Vorteile des gewählten Wärmeträger- und Arbeitsmediums sind gegeben durch das vergleichsweise geringe Gefährdungspotential für Mensch und Umwelt, die relativ hohe Verfügbarkeit. Zusätzlich werden durch die Möglichkeit der Speicherung größere Mengen Kohlendioxid und dessen sinnvoller Verwendung als Arbeitsmedium Athmosphäre und Klima entlastet. Zusätzlicher ökonomischer Nutzen ergibt sich über die Gewinne aus dem Kohlendioxidhandel bei Anrechnung dieser Einsparungspotentiale. Hierdurch ergeben sich wesentliche Vorteile gegenüber dem ORC-Verfahren und dem Kalina-Verfahren. Weitere Vorteile ergeben sich durch höhere Wirkungsgrade und die problemlose Kombination des Verfahrens mit anderen Wärme- bzw. Kältepotentialen, die es ermöglichen, die dadurch erreichbaren Wirkungsgrade weiter zu erhöhen. Dies gelingt insbesondere durch Nutzung oberflächennaher Erdkältepotentiale, sowie durch die Nutzung der Kältepotentiale, die verfahrensbedingt bei anderweitigen Entspannungsprozessen, insbesondere bei der Entspannung von Erdgas durch Temperaturabsenkung entstehen, und die notwendigen Kälteenergie zur Verflüssigung des Kohlendioxids im gewünschten Temperaturbereich unterhalb 283 K liefern.Further advantages of the selected heat carrier and working medium are given by the relatively low risk potential for humans and the environment, the relatively high availability. In addition, the possibility of storing large amounts of carbon dioxide and its useful use as a working medium atmosphere and climate relieved. Additional economic benefits are derived from the profits from the carbon trading trade, taking into account these savings potentials. This results in significant advantages over the ORC process and the Kalina process. Further advantages result from higher efficiencies and the easy combination of the method with other heat or Cooling potentials, which make it possible to further increase the achievable efficiencies. This is achieved in particular by using near-surface ground cold potentials, as well as by the use of cooling potentials resulting from other processes relaxation process, especially in the relaxation of natural gas by lowering the temperature, and provide the necessary cooling energy for liquefaction of carbon dioxide in the desired temperature range below 283 K.

Das Verfahren wird vorteilhafter Weise als Kombination eines Erdgaskraftwerkes mit natürlich vorhandenen Wärme- und Kältepotentialen genutzt und erlaubt so, neben der Zwischenspeicherung großer Mengen Kohlendioxid, auch problemlos sowohl einen diskontinuierlichen Betrieb als auch stark wechselnde Fahrweisen ohne nennenswerte Anfahr- und Anpassungszeiten. Gleichzeitig wird damit der Aufbau eines Speichers für das zur Wärmeübertragung verwendete Kohlendioxid geschaffen, mit der Nebenwirkung, dass größere Mengen des bei der Verbrennung entstehenden Kohlendioxids umweltfreundlich gespeichert und einer sinnvollen Verwendung zugeführt werden können. Die Einlagerung von Kohlendioxid erfolgt durch anfängliche Kompression von gereinigten Kraftwerksabgasen und deren Trocknung und Kühlung, wobei das sich in Rohrsystemen in oberflächennahen Erdschichten bei 281 bis 283 K und Drücken über 5 MPa bildende flüssige Kohlendioxid gesammelt und in unterirdische Kavernen geleitet wird. Beim Übersteigen dieser Druckmarke in der Kaverne muss das flüssige Kohlendioxid zum Aufbau des Druckspeichers weiter komprimiert werden bis der gewünschte Enddruck erreicht wird. Günstiger Weise erfolgt der Aufbau des Kohlendioxidspeichers in den Wintermonaten, wobei dann auch Luftkühler an der Erdoberfläche verwendet werden können, wenn bei dem Betriebsdruck von 5 MPa die Außentemperatur 283 K unterschreitet.The Method is advantageous as a combination of a natural gas power plant with course existing heat and cooling potentials used and thus allows, in addition to the intermediate storage of large quantities of carbon dioxide, also easily both a discontinuous operation and strongly changing driving modes without appreciable start-up and adaptation times. At the same time, the construction of a memory for the heat transfer used carbon dioxide created, with the side effect that larger amounts the carbon dioxide produced during combustion environmentally friendly stored and fed to a meaningful use can. The carbon dioxide is stored by initial compression of purified power plant exhaust gases and their drying and cooling, wherein which is present in pipe systems in shallow earth layers 281 to 283 K and pressures above 5 MPa forming liquid Carbon dioxide is collected and passed into underground caverns. When crossing This pressure mark in the cavern must build up the liquid carbon dioxide the accumulator further compressed to the desired final pressure is reached. better Way the carbon dioxide storage builds up in the winter months, where then also air cooler at the earth's surface can be used if at the operating pressure of 5 MPa the outside temperature falls below 283 K.

Anwendungsbeispieleapplications

Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung von Anwendungsbeispielen der Erfindung sowie der zugehörigen Zeichnung und einer Tabelle.Further Advantages of the invention will become apparent from the description of application examples the invention and the associated Drawing and a table.

In der Zeichnung ist das Grundprinzip einer Anwendung des Verfahrens und der dazu notwendigen Vorrichtung zur Abfallwärmenutzung einer Energieerzeugungsanlage bei gleichzeitiger Nutzung eines Erdwärmepotentials zur Kondensation des Arbeitsmittels Kohlendioxid dargestellt. Beispielhaft werden bei einem Arbeitsdruck von 15 MPa in den Beispielen I bis III drei verschiedene Wärmepotentiale bei 363 K, 373 K und 623 K als Wärmequelle angenommen. Als Expansionsmaschine 2 wird eine Expansionturbine benutzt. Als Kältequelle 4 steht das Erdwärmepotential in 8 bis 30 m Tiefe zur Verfügung und wird zur Kondensation des auf 4,5 MPa entspannten Arbeitsmittels genutzt. Als Zwischenspeicher 6 wird ein Druckbehälter benutzt. Die Leitungsführung des Kohlendioxidkreislaufs erfolgt über die Leitungen 7 bis 11 gemäß der Zeichnung. Die Berechnung der angegebenen Beispiele erfolgte mit dem Programm EBSILON Professional. Im zweiten Teil der Tabelle wird unter Beispiel IV ein Betrieb der Anlage mit einer Kältequelle 4 bei Außentemperaturen von unter 273 K und dem Einsatz von Luftkühlern statt der in den Beispielen I bis III beschriebenen Nutzung des Erdwärmepotentials als Wärmequelle 1 dargestellt. Die Nutzung des nunmehr vergrößerten Temperaturbereichs mit dem dazu möglichen niedrigeren Turbinenausgangsdruck führt unmittelbar zu einer Wirkungsgradverbesserung von etwa 1,3%. Dieses Ergebnis ist besonders für Gebiete mit ganzjährig niedrigeren Außentemperaturen sowohl bei der Erdwärmenutzung als auch bei der Niedertemperaturwärmenutzung von Kraftwerken interessant.In the drawing, the basic principle of an application of the method and the necessary apparatus for the waste heat utilization of a power generation plant while using a geothermal potential for the condensation of the working fluid carbon dioxide is shown. By way of example, at a working pressure of 15 MPa in Examples I to III, three different heat potentials at 363 K, 373 K and 623 K are assumed as the heat source. As an expansion machine 2 an expansion turbine is used. As a source of cold 4 the geothermal potential is available at a depth of 8 to 30 m and is used to condense the working medium, which has been relieved to 4.5 MPa. As a cache 6 a pressure vessel is used. The routing of the carbon dioxide cycle via the lines 7 to 11 according to the drawing. The specified examples were calculated using the EBSILON Professional program. In the second part of the table under Example IV is an operation of the system with a cold source 4 at outdoor temperatures of less than 273 K and the use of air coolers instead of the described in Examples I to III use of geothermal potential as a heat source 1 shown. The use of the now enlarged temperature range with the possible lower turbine outlet pressure leads directly to an efficiency improvement of about 1.3%. This result is particularly interesting for areas with lower outdoor temperatures throughout the year, both in terms of geothermal energy use and in the use of low-temperature heat from power plants.

Bei dem Verfahren und den angenommenen Verfahrensbedingungen ist nur mit relativ geringen Wirkungsgraden zu rechnen. Sie liegen trotzdem um mindestens 2% höher als bei vergleichbaren Verfahren.at the procedure and the assumed process conditions is only to expect with relatively low efficiencies. They are still lying at least 2% higher than in comparable methods.

In einem Blockheizkraftwerk fällt in den Beispielen I bis IV als Wärmequelle 1 Abfallwärme in den angegebenen Temperaturniveaus an und soll energetisch verwertet werden. Das fluide Kohlendioxid wird hierzu aus einem als Zwischenspeicher 6 ausgelegten Untergrundspeicher mit den in der Tabelle angegebenen Temperaturen und einem Druck von 15 MPa entnommen und im Blockheizkraftwerk auf die ebenfalls angegebenen Temperaturen erhitzt. Über ein Regelventil 12 wird das Kohlendioxid über eine Expansionsmaschine 2 auf 4,5 MPa entspannt und treibt den Generator 3 an. Die Entspannung erfolgt in ein unter 4,5 MPa stehendes oberflächennahes Rohrnetz als Kältequelle 4 mit einer Umgebungstemperatur von 281 K. Wegen der relativ langen Verweilzeit und dem umgebenden Erdpotential erfolgt eine Verflüssigung bei diesen Temperaturen. Das flüssige Kohlendioxid wird über eine isolierte Leitung 9 zu einer Flüssigkeitspumpe 5, auch als Flüssigkeitskompressor bezeichnet, geleitet und hier auf den Druck 15 MPa komprimiert und in einem Zwischenspeicher 6 gelagert. Die Verdichtungsleistung ist weniger als ein Drittel der gewonnenen Energie. Der Netto-Wirkungsgrad des Prozesses liegt bei 12,5%. Steht zusätzlich oder unabhängig davon ein tieferes Temperaturpotential, z.B. aus der Erdgasentspannung zur Verfügung, sind je nach verfügbarer Kälteleistung bei der angegebenen Temperatur von 373 K Wirkungsgrade von bis zu 25% erzielbar. Tabelle Strom Arbeitsmittel Aggregat Temperatur K Druck MPa Leistung KW Therm. Elektr. Elt Brutto Elt Netto Netto Wirk.grad Beispiel 7 363 15 I 2, 3 328 8 283 4,5 4 –1809 9 283 4,5 5 –119 10, 11 293,5 15 1 2018 328 209 10,4% 7 373 15 II 2, 3 450 8 283 4,5 4 –1902 9 283 4,5 5 –119 10, 11 293,5 15 1 2243 450 331 14,4% 7 623 15 III 2, 3 1230 8 493 4,5 4 –4486 9 283 4,5 5 –119 10, 11 293,5 15 1 5598 1230 1112 19,9% 7 373 15 IV 2, 3 514 Luft- 8 275,5 3,7 Kühl. 4 –2049 9 271,5 3,7 5 –121 10, 11 284,5 15 1 2442 514 393 16,1% In a combined heat and power plant falls in Examples I to IV as a heat source 1 Waste heat in the specified temperature levels and should be recycled energetically. The fluid carbon dioxide is this from a buffer 6 laid out underground storage with the temperatures specified in the table and a pressure of 15 MPa and heated in the combined heat and power plant to the temperatures also indicated. Via a control valve 12 The carbon dioxide is released via an expansion machine 2 relaxed to 4.5 MPa and drives the generator 3 at. The relaxation takes place in a below 4.5 MPa standing near-surface pipe network as a source of cold 4 with an ambient temperature of 281 K. Due to the relatively long residence time and the surrounding earth potential, liquefaction takes place at these temperatures. The liquid carbon dioxide is released through an insulated pipe 9 to a liquid pump 5 , also referred to as a liquid compressor, passed and compressed here to the pressure 15 MPa and in a buffer 6 stored. The compaction power is less than a third of the energy gained. The net efficiency of the process is 12.5%. If, in addition or independently, a lower temperature potential is available, for example from the natural gas expansion, efficiencies of up to 25% can be achieved at the indicated temperature of 373 K, depending on the available cooling capacity. table Electricity work equipment aggregate Temperature K Pressure MPa Power KW Therm. Electr. Elt gross Net Net Wirk.grad example 7 363 15 I 2, 3 328 8th 283 4.5 4 -1809 9 283 4.5 5 -119 10, 11 293.5 15 1 2018 328 209 10.4% 7 373 15 II 2, 3 450 8th 283 4.5 4 -1,902 9 283 4.5 5 -119 10, 11 293.5 15 1 2243 450 331 14.4% 7 623 15 III 2, 3 1230 8th 493 4.5 4 -4,486 9 283 4.5 5 -119 10, 11 293.5 15 1 5598 1230 1112 19.9% 7 373 15 IV 2, 3 514 Air- 8th 275.5 3.7 Cool. 4 -2,049 9 271.5 3.7 5 -121 10, 11 284.5 15 1 2442 514 393 16.1%

Claims

Method for using low-temperature heat for power generation using supercritical carbon dioxide as a working medium, characterized in that low-temperature heat of a heat mequelle ( 1 ) is absorbed by high, supercritical pressure carbon dioxide as a heat transfer medium, wherein the carbon dioxide acts as a working medium, then work through an expansion machine ( 2 ) with a generator ( 3 ) is relaxed, thereby cooling, then using a cold source ( 4 ) is further liquefied, compressed again in liquid form to the working pressure and stored in a high-pressure intermediate storage ( 6 ) provided.

A method according to claim 1, characterized in that the work-performing expansion takes place into the condensation area, wherein a partial liquefaction takes place, and then the gas-liquid mixture using a cold source ( 4 ) is further liquefied and compressed in liquid form back to the working pressure and stored.

Method according to claims 1 and 2, characterized in that as buffer ( 6 ) Salt caverns are used at great depth.

Process according to claims 1 to 3, characterized in that as heat source ( 1 ) the waste heat of a power plant is used.

Process according to claims 1 to 3, characterized in that as heat source ( 1 ) the waste heat from engines is used.

Process according to claims 1 to 3, characterized in that as heat source ( 1 ) the waste heat of machines and plants is used.

Process according to claims 1 to 3, characterized in that as heat source ( 1 ) geothermal energy is used.

Process according to claims 1 to 3, characterized in that as heat source ( 1 ) solar thermal energy is used.

Method according to claims 1 to 8, characterized in that as cold source ( 4 ) to dissipate the heat of condensation at least partially the geothermal potential is used in 5 to 30 m depth.

Method according to claims 1 to 9, characterized in that as cold source ( 4 ) to dissipate the heat of condensation at least partially the ambient air and other tempered by the ambient air media are used.

Process according to claims 1 to 10, characterized in that as cold source ( 4 ) is used to dissipate the heat of condensation at least partially deep water from lakes and seas.

Process according to claims 1 to 11, characterized in that as cold source ( 4 ) is used to dissipate the heat of condensation at least partially cooling energy from expansion processes of compressed air or natural gas.

A method according to claim 1 to 12 characterized in that the work-related relaxation takes place in two stages, characterized in that a first relaxation in the two-phase area takes place, the gas fraction is separated, a part serves to the Cool total flow before relaxation and then warm, then is subjected to renewed relaxation to lower pressures, then for cooling and Condensation of gaseous first partial stream is used and then precompressed and the diverted gas stream is fed back for further compression.

Process according to Claims 1 to 13 in that salt caverns both as a mass storage for compressed Carbon dioxide in the supercritical Condition as well as heat exchanger be used in this process, in addition to the potential of the possible Reduce carbon dioxide emissions to the environment.

A method according to claim 1 to 14 characterized in that liquefaction near the earth's surface done while Deep storage due to the high pressure of carbon dioxide of at least 10 MPa for safety reasons at a depth of at least 400 m takes place, whereby the static pressure of the liquefied carbon dioxide the necessary Reduced compression costs.

A method according to any of claims 1 to 15, characterized in that the method is operated in conjunction with a natural gas-based peak-load power plant and operates discontinuously, such that temporary excess energy is used to store high-pressure temporary storage tanks in subterranean salt caverns ( 6 ) for natural gas, combustion air and the working medium to apply carbon dioxide and, if necessary, to remove air and natural gas discontinuously and to use the carbon dioxide storage both as a geothermal supplier and as a buffer for the working medium.

Apparatus for using the method according to claims 1 to 16, comprising at least one external heat source, a heat exchanger with a condenser, a heat transfer medium, an expansion machine ( 2 ), one with the expansion machine ( 2 ) coupled generator ( 5 ), a pump ( 6 ) for the compression of the liquid carbon dioxide, a buffer storage for the provision of the liquid working fluid, control devices and valves.