DE102016112601A1

DE102016112601A1 - Vorrichtung zur Energieerzeugung nach dem ORC-Prinzip, Geothermieanlage mit einer solchen Vorrichtung und Betriebsverfahren

Info

Publication number: DE102016112601A1
Application number: DE102016112601.2A
Authority: DE
Inventors: Ulli Drescher; Aldo Piacentini-Timm
Original assignee: Intec Gmk GmbH
Current assignee: Intec Gmk GmbH
Priority date: 2016-07-08
Filing date: 2016-07-08
Publication date: 2018-01-11

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Energieerzeugung nach dem ORC-Prinzip mit einem Heizmittelkreislauf (10), einem Hochdruck-ORC-Kreislauf (20) und wenigstens einem Niederdruck-ORC-Kreislauf (30), wobei der Heizmittelkreislauf (10) durch eine Hochdruck-Verdampfereinheit (21) und wenigstens eine Hochdruck-Vorwärmeinheit (23) mit dem Hochdruck-ORC-Kreislauf (20) und durch eine Niederdruck-Verdampfereinheit (31) und wenigstens eine Niederdruck-Vorwärmeinheit (33) mit dem Niederdruck-ORC-Kreislauf (30) thermisch gekoppelt ist, wobei im Heizmittelkreislauf stromabwärts der Hochdruck-Verdampfereinheit (21) ein Fernwärmevorlauf (12) abzweigt.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Energieerzeugung nach dem ORC-Prinzip gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Ferner betrifft die Erfindung eine Geothermieanlage mit einer solchen Vorrichtung sowie ein Betriebsverfahren. Eine Vorrichtung der eingangs genannten Art ist beispielsweise aus WO 2009/056341 A2 bekannt.
Vorrichtungen zur Energieerzeugung nach dem Prinzip des Organic Rankine Cycle (ORC) werden vorzugsweise eingesetzt, um Energie aus Niedrigtemperatur-Wärmequellen nutzen zu können. Dabei werden als ORC-Fluide organische Fluide eingesetzt, die einen vergleichsweise niedrigen Siedepunkt aufweisen. So kann die Wärmeenergie, die durch die Niedrigtemperatur-Wärmequelle bereitgestellt wird, gut genutzt werden, um beispielsweise elektrischen Strom zu erzeugen.
Die eingangs genannte WO 2009/056341 A2 beschreibt eine derartige Vorrichtung zur Energieerzeugung, die nach dem ORC-Prinzip arbeitet. Die vorbekannte Vorrichtung umfasst zwei ORC-Kreisläufe, die thermisch durch einen Heizmittelkreislauf miteinander gekoppelt sind. Dabei dient einer der ORC-Kreisläufe als Hochdruck-ORC-Kreislauf und weist eine Hochdruck-Verdampfereinheit und eine Hochdruck-Vorwärmeinheit auf. Ein weiterer ORC-Kreislauf bildet einen Niederdruck-ORC-Kreislauf, der eine Niederdruck-Verdampfereinheit und wenigstens eine Niederdruck-Vorwärmeinheit umfasst.
Durch den Heizmittelkreislauf strömt ein Heizmittel, beispielsweise Thermalwasser, das seine Wärmeenergie sukzessive über die Hochdruck-Verdampfereinheit, die Niederdruck-Verdampfereinheit sowie die Hochdruck-Vorwärmeinheit und die Niederdruck-Vorwärmeinheit an die Arbeitsmittel in den beiden ORC-Kreisläufen abgibt. In den ORC-Kreisläufen wird das dort jeweils umströmende Arbeitsmittel entsprechend erhitzt, verdampft und an jeweils eine Turbine geleitet. In der Turbine entspannt das Arbeitsmittel, wodurch mechanische Energie erzeugt wird, die anschließend durch einen an die Turbine angeschlossenen Generator in elektrische Energie umgewandelt wird.
Obwohl der Wirkungsgrad einer solchen Anlage relativ hoch ist, ist es dennoch wünschenswert, das Heizmittel weiter effizient zu nutzen. Beispielsweise kann die thermische Energie des Heizmittels direkt als Wärmemedium, beispielsweise für ein Fernwärmenetz, genutzt werden. In der Praxis werden der Wärmequelle zwei Heizmittelströme entnommen, wobei ein Heizmittelstrom zur Energieerzeugung und ein weiterer Heizmittelstrom als Wärmemedium abgeführt werden.
Bei Vorrichtungen zur Energieerzeugung, die nach dem ORC-Prinzip arbeiten, sind die Ausgangstemperaturen des Heizmittels jedoch meist vergleichsweise gering, so dass es für die Effizienz des Energieerzeugungsprozesses zweckmäßig ist, den vollständigen Heizmittelstrom für die Energieerzeugung zu nutzen. Dabei wird die im Heizmittel verfügbare thermische Energie jedoch nicht optimal eingesetzt, d.h. es bleibt ein Restanteil noch nutzbarer thermischer Energie.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Vorrichtung zur Energieerzeugung nach dem ORC-Prinzip so zu verbessern, dass die thermische Energie eines Heizmittels möglichst gut nutzbar und die Effizienz der Energieerzeugung möglichst wenig beeinträchtigt ist. Ferner ist es Aufgabe der Erfindung, eine Geothermieanlage mit einer derart optimierten Vorrichtung sowie ein Betriebsverfahren anzugeben.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe im Hinblick auf die Vorrichtung zur Energieerzeugung durch den Gegenstand des Patentanspruchs 1, im Hinblick auf die Geothermieanlage durch den Gegenstand des Patentanspruchs 13 und im Hinblick auf das Betriebsverfahren durch den Gegenstand des Patentanspruchs 14 gelöst.
Konkret beruht die Erfindung auf dem Gedanken, eine Vorrichtung zur Energieerzeugung nach dem ORC-Prinzip mit einem Heizmittelkreislauf, einen Hochdruck-ORC-Kreislauf und wenigstens einem Niederdruck-ORC-Kreislauf anzugeben, wobei der Heizmittelkreislauf durch eine Hochdruck-Verdampfereinheit und wenigstens eine Hochdruck-Vorwärmeinheit mit dem Hochdruck-ORC-Kreislauf thermisch gekoppelt ist. Der Heizmittelkreislauf ist ferner durch eine Niederdruck-Verdampfereinheit und wenigstens eine Niederdruck-Vorwärmeinheit mit dem Niederdruck-ORC-Kreislauf thermisch gekoppelt. Im Heizmittelkreislauf zweigt stromabwärts der Hochdruck-Verdampfereinheit ein Fernwärmevorlauf ab.
Indem der Fernwärmevorlauf stromabwärts der Hochdruck-Verdampfereinheit abzweigt, ist sichergestellt, dass zumindest der Hochdruck-Verdampfereinheit der vollständige Massenstrom des Heizmittels, das durch den Heizmittelkreislauf strömt, zugeführt wird. Folglich wird eine hohe Wärmeenergiemenge für die Verdampfung des ORC-Fluids im Hochdruck-ORC-Kreislauf bereitgestellt.
Es hat sich gezeigt, dass durch die erfindungsgemäße Anordnung des Fernwärmevorlaufs der ORC-Prozess trotz der Nutzung eines Teilstroms des Heizmittels für die Fernwärme effizient betrieben werden kann. Konkret steht dem ORC-Prozess durch die Abzweigung des Fernwärmevorlaufs nach der Hochdruck-Verdampfereinheit weiterhin ein relativ hoher Massenstrom an Heizmittel und entsprechend eine relativ hohe Wärmemenge zur Verfügung, die für die Energieerzeugung genutzt werden kann. So kann eine Kraft-Wärme-Kopplung bei einer Vorrichtung zur Energieerzeugung nach dem ORC-Prinzip effizient umgesetzt werden, ohne die Effizienz der Energieerzeugung signifikant zu beeinträchtigen.
Im Allgemeinen wird darauf hingewiesen, dass die in der vorliegenden Anmeldung genannten Vorwärmeinheiten und/oder Verdampfereinheiten mehrere Komponenten aufweisen können. Insbesondere können die Vorwärmeinheiten jeweils mehrere Vorwärmer bzw. Wärmeübertrager umfassen, die gemeinsam eine Vorwärmeinheit bilden. Dasselbe gilt für die in der Anmeldung genannten Verdampfereinheiten.
Es ist auch denkbar, dass Verdampfereinheiten und jeweils zugeordnete Vorwärmeinheiten einen gemeinsamen Apparat bilden bzw. in einen gemeinsamen Apparat integriert sind.
Bei einer bevorzugten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist vorgesehen, dass der Fernwärmevorlauf in Strömungsrichtung des Heizmittelkreislaufs unmittelbar nach der Niederdruck-Verdampfereinheit abzweigt. Konkret kann vorgesehen sein, dass der Heizmittelkreislauf so angeordnet ist, dass das Heizmittel zunächst der Hochdruck-Verdampfereinheit und anschließend der Niederdruck-Verdampfereinheit zugeführt wird. Indem der Fernwärmevorlauf unmittelbar nach der Niederdruck-Verdampfereinheit abzweigt, ist weiter vorteilhaft sichergestellt, dass auch dem Niederdruck-ORC-Kreislauf der vollständige Massenstrom des Heizmittels für eine Wärmeübertragung zur Verfügung steht. Damit kann auch der Niederdruck-ORC-Kreislauf mit hoher Effizienz betrieben werden.
Ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass die Bereitstellung des vollständigen Heizmittelmassestroms für zumindest die Hochdruck-Verdampfereinheit, vorzugsweise auch die Niederdruck-Verdampfereinheit, zu einer Reduktion der Investitionskosten für eine derartige Energieerzeugungsvorrichtung führt. Konkret kann zumindest die Hochdruck-Verdampfereinheit, vorzugsweise auch die Niederdruck-Verdampfereinheit, mit einer relativ geringen Wärmeübertragungsfläche ausgestattet werden, da der vollständige Heizmittel-Massenstrom zur Wärmeübertragung bereitgestellt wird. Eine Reduktion des Massenstroms, beispielsweise durch vorherige Abzweigung des Fernwärmevorlaufs, würde hingegen größere Wärmeübertragungsflächen erfordern, um dieselbe Menge an Wärmeenergie an das jeweilige ORC-Fluid abgeben zu können.
Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass der Fernwärmevorlauf zwischen der Niederdruck-Verdampfereinheit und der Hochdruck-Vorwärmeinheit und/oder der Niederdruck-Vorwärmeinheit abzweigt. Die Anordnung des Fernwärmevorlaufs an dieser Stelle ist besonders vorteilhaft, da einerseits die Temperatur des Heizmittels an dieser Stelle noch ausreichend hoch ist, um es für eine Fernwärmeversorgung nutzen zu können. Insbesondere kann das Heizmittel so in ein Niedertemperatur-Fernwärmenetz eingespeist werden, d.h. der Fernwärmevorlauf kann mit einem Niedrigtemperatur-Fernwärmenetz verbunden sein. Andererseits ist die Abzweigung des Fernwärmevorlaufs zwischen der Niederdruck-Verdampfereinheit und der Hochdruck-Vorwärmeinheit und/oder der Niederdruck-Vorwärmeinheit vorteilhaft, da die Reduktion des Massenstroms des Heizmittels für die nachfolgenden Vorwärmeinheiten zu keiner signifikanten Reduzierung der übertragenen Wärmemenge führt.
Der Heizmittelkreislauf kann in Strömungsrichtung nach dem Fernwärmevorlauf eine Gabelung aufweisen, die den Heizmittelkreislauf so aufteilt, dass ein Heizmittelstrom des Heizmittelkreislaufs jeweils anteilig der Hochdruck-Vorwärmeinheit und der Niederdruck-Vorwärmeinheit zugeführt wird. Auf diese Weise wird der Hochdruck-Vorwärmeinheit und der Niederdruck-Vorwärmeinheit Heizmittel mit derselben Temperatur zugeführt. Das bewirkt insbesondere im Niederdruck-ORC-Kreislauf eine verbesserte Effizienz, da hier das ORC-Fluid näher an die Verdampfungstemperatur geführt wird. Der Gesamtwirkungsgrad der Vorrichtung wird damit verbessert.
Bei der bevorzugten Ausgestaltung des Heizmittelkreislaufs, wobei nach der Niederdruck-Verdampfereinheit der Heizmittelstrom auf die Hochdruck-Vorwärmeinheit und die Niederdruck-Vorwärmeinheit aufgeteilt wird, ist es besonders vorteilhaft, wenn der Fernwärmevorlauf zwischen der Niederdruck-Verdampfereinheit und der Gabelung abzweigt. Mit anderen Worten wird ein Heizmittelteilstrom für die Fernwärme abgezweigt, bevor der verbleibende Heizmittelstrom aufgeteilt und die Teilströme der Hochdruck-Vorwärmeinheit und der Niederdruck-Vorwärmeinheit zugeführt werden.
Der Fernwärmevorlauf kann generell mit einem Fernwärmerücklauf verbunden sein. Der Fernwärmerücklauf mündet vorzugsweise in Strömungsrichtung des Heizmittelkreislaufs stromabwärts des Fernwärmevorlaufs in den Heizmittelkreislauf. Bevorzugt ist vorgesehen, dass der Fernwärmerücklauf in Strömungsrichtung des Heizmittelkreislaufs nach der Hochdruck-Vorwärmeinheit und/oder nach der Niederdruck-Vorwärmeinheit in den Heizmittelkreislauf mündet.
Besonders bevorzugt ist es, wenn in Strömungsrichtung des Heizmittelkreislaufs nach der Niederdruck-Vorwärmeinheit eine Hochdruck-Primärvorwärmeinheit im Hochdruck-ORC-Kreislauf und/oder eine Niederdruck-Primärvorwärmeinheit im Niederdruck-ORC-Kreislauf angeordnet sind. Diese zusätzlichen Primärvorwärmeinheiten in den beiden ORC-Kreisläufen nutzen die verbleibende Wärmeenergie des Heizmittels besonders effizient, um das ORC-Fluid in den ORC-Kreisläufen vorzuwärmen. Das Heizmittel wird dabei weiter abgekühlt, so dass insgesamt eine hohe Wärmenutzung des Heizmittels gewährleistet ist. So kann der Gesamtwirkungsgrad der Vorrichtung weiter erhöht werden.
Die Hochdruck-Vorwärmeinheit kann direkt mit der Hochdruck-Primärvorwärmeinheit fluidverbunden ist. Gleichzeitig oder alternativ kann die Niederdruck-Vorwärmeinheit direkt mit der Niederdruck-Primärvorwärmeinheit fluidverbunden sein. Auf diese Weise ist sichergestellt, dass der gesamte Heizmittel-Massenstrom, der die jeweilige Vorwärmeinheit durchströmt, auch an die jeweils zugeordnete Primärvorwärmeinheit geleitet wird. Insbesondere ist vorgesehen, dass zwischen der jeweiligen Vorwärmeinheit und der jeweiligen Primärvorwärmeinheit keine Abzweigung insofern erfolgt, als Heizmittel-Massenstrom aus dem Heizmittelkreislauf entnommen wird. Damit ist sichergestellt, dass ein relativ hoher Massenstrom durch die Primärvorwärmeinheiten strömt, wodurch deren Wärmeübertragungsflächen relativ klein gehalten werden können.
Um eine weitere Reduktion der Wärmeübertragungsflächen in der Hochdruck-Primärvorwärmeinheit und/oder der Niederdruck-Primärvorwärmeinheit zu erreichen, ist besonders vorteilhaft vorgesehen, dass der Fernwärmerücklauf zwischen der Niederdruck-Vorwärmeinheit und der Hochdruck-Primärvorwärmeinheit und/oder zwischen der Niederdruck-Vorwärmeinheit und der Niederdruck-Primärvorwärmeinheit in den Heizmittelkreislauf mündet. Mit anderen Worten wird der Rückfluss aus dem Fernwärmenetz vor der Hochdruck-Primärvorwärmeinheit und/oder der Niederdruck-Primärvorwärmeinheit in den Heizmittelkreislauf zurückgeführt. Dies erhöht den Massenstrom für die jeweilige Primärvorwärmeinheit, so dass deren Wärmeübertragungsflächen weiter reduziert werden können. Insbesondere kann auf diese Weise mit einer relativ kleinen Wärmeübertragungsfläche ausreichend Wärmeenergie vom Heizmittel an das jeweilige ORC-Fluid übertragen werden.
Wenn die Quellentemperatur des Heizmittels ausreichend hoch ist, kann bevorzugt vorgesehen sein, dass in Strömungsrichtung des Heizmittelkreislaufs vor dem Hochdruck-Verdampfer ein Fernwärmebypass abzweigt, der mit dem Fernwärmerücklauf verbunden ist. So kann vor der Zuführung des Heizmittels in den ORC-Prozess ein Teilstrom des Heizmittels abgezweigt und in das Fernwärmenetz eingespeist wird. Der Rückfluss des Fernwärmebypasses erfolgt vorzugsweise über den Fernwärmerücklauf.
Die Rückführung des durch den Fernwärmevorlauf abgezweigten Massenstroms des Heizmittels aus dem Fernwärmenetz über den Fernwärmerücklauf in den Heizmittelkreislauf hat den weiteren Vorteil, dass auf diese Weise eine zu hohe Abkühlung des Heizmittels im Heizmittelkreislauf vermieden wird. Insoweit dient der Fernwärmerücklauf auch als Frostschutz für den Heizmittelkreislauf.
Wenn in Strömungsrichtung des Heizmittelkreislaufs auf den Fernwärmerücklauf wenigstens eine Primärvorwärmeinheit, beispielsweise eine Hochdruck-Primärvorwärmeinheit oder eine Niederdruck-Primärvorwärmeinheit, folgt, so wird durch den zusätzlichen Rücklauf aus dem Fernwärmebypass der für die jeweilige Primärvorwärmeinheit zur Verfügung gestellte Heizmittel-Massenstrom weiter erhöht. In der Folge können die Wärmeübertragungsflächen der jeweiligen Primärvorwärmeinheit weiter verkleinert werden, was zu Kosteneinsparungen führt.
Eine weitere Effizienzsteigerung des gesamten ORC-Prozesses kann erreicht werden, wenn – wie bevorzugt vorgesehen ist – zwischen der Hochdruck-Verdampfereinheit und der Niederdruck-Verdampfereinheit im Hochdruck-ORC-Kreislauf eine zusätzliche Hochtemperatur-Vorwärmeinheit angeordnet ist. So kann das ORC-Fluid im Hochdruck-ORC-Kreislauf durch die Hochtemperatur-Vorwärmeinheit bis zur Verdampfungstemperatur aufgewärmt werden. Die Hochtemperatur-Vorwärmeinheit kann auf diese Weise energetisch und wirtschaftlich optimal an die Wärmeübertragung zwischen dem Heizmittel und dem ORC-Fluid angepasst werden. Im Hochdruck-ORC-Kreislauf ist die Hochtemperatur-Vorwärmeinheit vorzugsweise zwischen der Hochdruck-Vorwärmeinheit und der Hochdruck-Verdampfereinheit angeordnet. Diese Anordnung der Hochtemperatur-Vorwärmeinheit ist energetisch deshalb vorteilhaft, weil die Hochtemperatur-Vorwärmeinheit so nur die Temperaturdifferenz zwischen der Vorwärmtemperatur der Hochdruck-Vorwärmeinheit und der zu erreichenden Verdampfungstemperatur überbrücken muss.
Hinsichtlich der ORC-Kreisläufe, insbesondere des Hochdruck-ORC-Kreislaufs und des Niederdruck-ORC-Kreislaufs, ist bei der vorliegenden Erfindung bevorzugt vorgesehen, dass diese in einen gemeinsamen ORC-Kreislauf münden. Mit anderen Worten können der Hochdruck-ORC-Kreislauf und der Niederdruck-ORC-Kreislauf zumindest teilweise zusammengeführt sein und so abschnittsweise einen gemeinsamen ORC-Kreislauf bilden.
Der gemeinsame ORC-Kreislauf kann eine gemeinsame Speisepumpe und/oder einen gemeinsamen Rekuperator und/oder eine gemeinsame Vorwärmeinheit und/oder eine gemeinsame Kondensatoreinheit aufweisen. Auf diese Weise können weitere Kosten reduziert werden, da sich die beiden ORC-Kreisläufe Bauelemente der Vorrichtung teilen. Besonders bevorzugt ist es, wenn für den Hochdruck-ORC-Kreislauf und den Niederdruck-ORC-Kreislauf eine gemeinsame Kondensatoreinheit vorgesehen ist.
In diesem Zusammenhang wird auch darauf hingewiesen, dass sowohl der Hochdruck-ORC-Kreislauf, als auch der Niederdruck-ORC-Kreislauf jeweils eine Turbine umfassen können. Die Turbinen können jeweils mit einem Generator gekoppelt sein, um aus der in der Turbine erzeugten mechanischen Energie elektrische Energie zu erzeugen. Alternativ ist es möglich, dass der Hochdruck-ORC-Kreislauf und der Niederdruck-ORC-Kreislauf jeweils auf separate Laufräder einer gemeinsamen Turbine wirken, wobei die gemeinsame Turbine mit einem einzigen, gemeinsamen Generator gekoppelt ist.
Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Energieerzeugung kann vorgesehen sein, dass in Strömungsrichtung des Heizmittelkreislaufs unmittelbar nach der Hochdruck-Verdampfereinheit, insbesondere zwischen der Hochdruck-Verdampfereinheit und der zusätzlichen Hochtemperatur-Vorwärmeinheit, eine Zumischleitung abzweigt, die mit dem Fernwärmevorlauf verbunden ist. Damit bleibt einerseits sichergestellt, dass der vollständige Massenstrom des Heizmittels, der dem ORC-Prozess zur Verfügung gestellt wird, der Hochdruck-Verdampfereinheit zur Verfügung steht. Andererseits wird auf diese Weise relativ heißes Heizmittel nach der Hochdruck-Verdampfereinheit abgezweigt und dem Fernwärmevorlauf zugeführt. Damit kann die dem Fernwärmenetz zur Verfügung gestellte Temperatur erhöht werden. Dies ist insbesondere sinnvoll, wenn zu befürchten ist, dass die Temperatur des Heizmittels nach Durchlaufen der Hochdruck-Vorwärmeinheit und/oder der Niederdruck-Vorwärmeinheit nicht ausreicht, um für das Fernwärmenetz sinnvoll genutzt zu werden. So kann dem nach der Niederdruck-Vorwärmeinheit abgezweigten Massenstrom im Fernwärmevorlauf ein Heizmittelstrom zugemischt werden, der eine höhere Temperatur aufweist. Damit erhöht sich insgesamt die Temperatur im Fernwärmevorlauf.
Ein nebengeordneter Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft eine Geothermieanlage mit einer zuvor beschriebenen Vorrichtung zur Energieerzeugung. Die Geothermieanlage kann insbesondere mit einer geothermischen Heißwasserquelle verbunden sein, wobei die Heißwasserquelle das Heizmittel für den Heizmittelkreislauf bereitstellt.
Ferner wird im Rahmen der vorliegenden Anmeldung ein Verfahren zum Betreiben einer Vorrichtung zur Energieerzeugung nach dem ORC-Prinzip offenbart und beansprucht, wobei die Vorrichtung einen Heizmittelkreislauf, einen Hochdruck-ORC-Kreislauf und wenigstens einen Niederdruck-ORC-Kreislauf aufweist. Der Heizmittelkreislauf ist durch eine Hochdruck-Verdampfereinheit und wenigstens eine Hochdruck-Vorwärmeinheit mit dem Hochdruck-ORC-Kreislauf und durch eine Niederdruck-Verdampfereinheit mit dem Niederdruck-ORC-Kreislauf thermisch gekoppelt. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren ist vorgesehen, dass von einem Heizmittelstrom des Heizmittelkreislaufs stromabwärts der Hochdruck-Verdampfereinheit, insbesondere zwischen der Niederdruck-Verdampfereinheit und der Hochdruck-Vorwärmeinheit, ein Teilstrom abgezweigt und in ein Fernwärmenetz eingespeist oder zur Erwärmung eines Fernwärmemediums in einem Fernwärmenetz genutzt wird. Insbesondere können zusätzliche Wärmeübertragungseinheiten vorgesehen sein, die thermische Energie des Heizmittels in das Fernwärmemedium übertragen.
Im Zusammenhang mit der Vorrichtung zur Energieerzeugung eingangs genannten Vorteile und konstruktiven Weiterbildungen gelten in analoger Weise für das hier beanspruchte und beschriebene Verfahren. Insbesondere kann vorgesehen sein, dass die gemäß dem beanspruchten Verfahren betriebene Vorrichtung gemäß vorstehender Beschreibung ausgebildet ist.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beigefügten, schematischen Zeichnungen näher erläutert. Darin zeigen:
1: ein Prozessschaltbild einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Energieerzeugung nach einem bevorzugten Ausführungsbeispiel;
2: ein Prozessschaltbild einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Energieerzeugung nach einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel, wobei zusätzliche Primärvorwärmeinheiten vorgesehen sind;
3: ein Prozessschaltbild einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Energieerzeugung nach einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel, wobei ein zusätzlicher Fernwärmebypass vorgesehen ist;
4: ein Prozessschaltbild einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Energieerzeugung nach einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel, wobei eine zusätzliche Zumischleitung für den Fernwärmevorlauf vorgesehen ist;
5: ein Prozessschaltbild einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Energieerzeugung nach einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel, wobei die Primärvorwärmeinheiten in den ORC-Kreisläufen jeweils eine Frostschutzschaltung aufweisen; und
6: ein Prozessschaltbild einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Energieerzeugung nach einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel, wobei der Hochdruck-ORC-Kreislauf und der Niederdruck-ORC-Kreislauf einen gemeinsamen ORC-Kreislauf aufweisen.
In den beigefügten Zeichnungen ist jeweils eine Vorrichtung zur Energieerzeugung nach dem ORC-Prinzip schematisch dargestellt. Im Allgemeinen weist die hier beschriebene Vorrichtung einen Heizmittelkreislauf 10 auf, der thermisch mit einem Hochdruck-ORC-Kreislauf 20 und einem Niederdruck-ORC-Kreislauf 30 gekoppelt ist. Der Hochdruck-ORC-Kreislauf 20 und der Niederdruck-ORC-Kreislauf 30 sind im Wesentlichen ähnlich aufgebaut. Zur Unterscheidung der einzelnen Bauteile, die dem Hochdruck-ORC-Kreislauf 20 und dem Niederdruck-ORC-Kreislauf angehören, werden im Folgenden die Abkürzungen „HD“ für Bauteile des Hochdruck-ORC-Kreislaufs 20 („HD-ORC-Kreislauf 20“) und „ND“ für Bauteile des Niederdruck-ORC-Kreislaufs 30 („ND-ORC-Kreislauf 30“) verwendet.
Der HD-ORC-Kreislauf 20 umfasst insbesondere eine HD-Verdampfereinheit 21 und eine HD-Vorwärmeinheit 23. In Strömungsrichtung des ORC-Fluids des HD-ORC-Kreislaufs ist die HD-Vorwärmeinheit 23 der HD-Verdampfereinheit 21 vorgeordnet.
Der ND-ORC-Kreislauf 30 umfasst eine ND-Verdampfereinheit 31 und eine ND-Vorwärmeinheit 33. In Strömungsrichtung des ORC-Fluids des ND-ORC-Kreislaufs 30 ist die ND-Vorwärmeinheit 33 der ND-Verdampfereinheit 31 vorgeordnet.
Wie in den dargestellten Zeichnungen ebenfalls erkennbar ist, weist der HD-ORC-Kreislauf 20 eine Hochtemperatur-Vorwärmeinheit 22 auf, die zwischen der HD-Vorwärmeinheit 23 und der HD-Verdampfereinheit 21 im HD-ORC-Kreislauf 20 angeordnet ist. Die zusätzliche Hochtemperatur-Vorwärmeinheit 22 ist zwar in vielen Fällen vorteilhaft, kann jedoch auch entfallen.
Die HD-Verdampfereinheit 21, die ND-Verdampfereinheit 31, die HD-Vorwärmeinheit 23 und die ND-Vorwärmeinheit 33 sind außerdem in den Heizmittelkreislauf 10 eingebunden. Konkret ist die HD-Verdampfereinheit 21 in Strömungsrichtung des Heizmittelkreislaufs 10 der ND-Verdampfereinheit 31 vorgeordnet. Auf die ND-Verdampfereinheit 31 folgen die HD-Vorwärmeinheit 23 und die ND-Vorwärmeinheit 33. Die optionale Hochtemperatur-Vorwärmeinheit 22 des HD-ORC-Kreislaufs 20 ist in Strömungsrichtung des Heizmittels im Heizmittelkreislauf zwischen der HD-Verdampfereinheit 21 und ND-Verdampfereinheit 31 angeordnet.
Für alle Ausführungsbeispiele gilt außerdem, dass vom Heizmittelkreislauf 10 ein Fernwärmevorlauf 12 abzweigt, wobei der Fernwärmevorlauf 12 in Strömungsrichtung des Heizmittels des Heizkreislaufs 10 der HD-Verdampfereinheit 21 nachgeordnet ist. Konkret ist bei den hier dargestellten Ausführungsbeispielen vorgesehen, dass der Fernwärmevorlauf 12 unmittelbar nach der ND-Verdampfereinheit 31 vom Heizmittelkreislauf 10 abzweigt.
In Strömungsrichtung des Heizmittels des Heizmittelkreislaufs 10 folgt auf den abgezweigten Fernwärmevorlauf 12 bei den hier dargestellten Ausführungsbeispielen eine Gabelung 13. Die Gabelung 13 teilt den Heizmittelstrom des Heizmittelkreislaufs 10 auf und führt anteilig Teilströme des Heizmittels an die HD-Vorwärmeinheit 23 und die ND-Vorwärmeinheit 33. Nach Durchströmen der HD-Vorwärmeinheit 23 und der ND-Vorwärmeinheit 33 werden die beiden Teilströme wieder vereint. Dazu ist im Heizmittelkreislauf 10 eine Sammelstelle 17 vorgesehen, die der HD-Vorwärmeinheit 23 und der ND-Vorwärmeinheit 33 nachgeordnet ist.
Bei den Ausführungsbeispielen gemäß 1–5 ist außerdem vorgesehen, dass jeder der beiden ORC-Kreisläufe 20, 30 im Wesentlichen autark ist. Im Unterschied dazu ist in 6 ein Ausführungsbeispiel dargestellt, bei welchem der HD-ORC-Kreislauf 20 und der ND-ORC-Kreislauf 30 durch einen gemeinsamen ORC-Kreislauf 40 verbunden sind bzw. in einen gemeinsamen ORC-Kreislauf 40 münden. Darauf wird später detailliert eingegangen.
Bei den Ausführungsbeispielen gemäß 1–5 ist insbesondere vorgesehen, dass der HD-ORC-Kreislauf 20 eine HD-Turbine 25 aufweist, die in Strömungsrichtung des ORC-Fluids der HD-Verdampfereinheit 21 nachgeordnet ist. Das die HD-Turbine 25 verlassende ORC-Fluid gelangt anschließend in einen HD-Kondensator 26 und wird dort auskondensiert. Das dabei entstehende Kondensat wird in einem HD-Kondensatsammelbehälter 27 gesammelt. Der HD-Kondensatsammelbehälter 27 ist dem HD-Kondensator 26 unmittelbar in Strömungsrichtung des ORC-Fluids nachgeordnet.
Vom HD-Kondensatsammelbehälter 27 wird das ORC-Fluid zur HD-Vorwärmeinheit 23 gepumpt. Dazu weist der HD-ORC-Kreislauf 20 eine HD-Speisepumpe 28 auf, die dem HD-Kondensatsammelbehälter 27 unmittelbar nachgeordnet ist.
In den 1–5 ist auch erkennbar, dass der HD-ORC-Kreislauf 20 einen HD-Turbinenbypass 29 mit einem Ventil aufweist. Der HD-Turbinenbypass 29 ermöglicht es die HD-Turbine 25 zu umgehen. In analoger Weise weist auch der ND-ORC-Kreislauf 30 einen ND-Turbinenbypass 39 auf.
Der ND-ORC-Kreislauf 30 ist im Wesentlichen analog zu dem HD-ORC-Kreislauf 20 aufgebaut. Insbesondere weist der ND-ORC-Kreislauf 30 im Wesentlichen dieselben Komponenten auf, die jedoch für den Niederdruckbetrieb entsprechend dimensioniert sind. Lediglich für die Hochtemperatur-Vorwärmeinheit 22 gibt es bei den dargestellten Ausführungsbeispielen im ND-ORC-Kreislauf 30 kein analoges Bauteil. Es ist jedoch möglich, im ND-ORC-Kreislauf 30 in analoger Weise einen zusätzlichen Vorwärmer zwischen die ND-Vorwärmeinheit und die ND-Verdampfereinheit einzusetzen.
Konkret umfasst der ND-ORC-Kreislauf 30 eine ND-Turbine 35, die der ND-Verdampfereinheit 31 in Strömungsrichtung des ORC-Fluids nachgeordnet ist. Auf die ND-Turbine 35 folgt ein ND-Kondensator 36, in welchen das ORC-Fluid auskondensiert und an einen ND-Kondensatsammelbehälter 37 geleitet wird. Der ND-Kondensatsammelbehälter 37 ist dem ND-Kondensator 36 in Strömungsrichtung des ORC-Fluids unmittelbar nachgeordnet. Der ND-ORC-Kreislauf 30 umfasst außerdem eine ND-Speisepumpe 38, die bevorzugt unmittelbar dem ND-Kondensatsammelbehälter 37 nachgeordnet ist. Die ND-Speisepumpe 38 ist vorzugsweise vor der ND-Vorwärmeinheit 33 angeordnet.
Im Allgemeinen kann vorgesehen sein, dass jeder der ORC-Kreisläufe 20, 30 einen Rekuperator aufweist. Insofern kann das ORC-Fluid in den jeweiligen ORC-Kreislauf 20, 30 zwischen der jeweiligen Turbine 25, 35 und dem jeweiligen Kondensator 26, 36 durch einen Rekuperator geleitet werden. Der Rekuperator ist vorzugsweise so im jeweiligen ORC-Kreislauf 20, 30 angeordnet, dass das von der jeweiligen Speisepumpe 28, 38 geförderte ORC-Fluid erst durch den Rekuperator vorgewärmt und anschließend der jeweiligen Vorwärmeinheit 23, 33 zugeführt wird.
Mit Blick auf die einzelnen Bauteile der ORC-Kreisläufe 20, 30 ist hervorzuheben, dass als Kondensatoren 26, 36 sowohl Luftkondensatoren, als auch eine Wasserkühlung vorgesehen sein können, wobei die Wasserkühlung im Kontext der vorliegenden Anmeldung ebenfalls als Kondensatoreinheit bezeichnet wird.
Im Übrigen ist es möglich, dass sich die beiden ORC-Kreisläufe 20, 30 einzelne Bauteile teilen. Insbesondere kann ein gemeinsamer Kondensatsammelbehälter 44 vorgesehen sein, der sowohl mit dem HD-ORC-Kreislauf 20, als auch mit dem ND-ORC-Kreislauf 30 verbunden ist. Alternativ oder zusätzlich kann auch eine gemeinsame Kondensatoreinheit 43 vorgesehen sein. Es ist auch möglich, dass die beiden ORC-Kreisläufe 20, 30 eine gemeinsame Speisepumpe 41 umfassen. Ebenso kann ein gemeinsamer Rekuperator 42 vorgesehen sein, der mit beiden ORC-Kreisläufen 20, 30 gekoppelt ist.
In den 1–4 sind unterschiedliche Ausführungsbeispiele der Erfindung gezeigt, die sich insbesondere in der Gestaltung des Heizmittelkreislaufs 10 unterscheiden. Der HD-ORC-Kreislauf 20 und der ND-ORC-Kreislauf 30 sind im Wesentlichen identisch. Die Ausführungsbeispiele gemäß 5 und 6 unterscheiden sich hingegen vielmehr durch die Gestaltung der ORC-Kreisläufe 20, 30 von den Ausführungsbeispielen gemäß 1–4.
1 zeigt ein Ausführungsbeispiel der Erfindung, bei welchem der Heizmittelkreislauf 10 einen Fernwärmevorlauf 12 aufweist, der stromabwärts der ND-Verdampfereinheit 31 angeordnet und dieser im Heizmittelkreislauf 10 unmittelbar nachgeordnet ist.
Der Fernwärmevorlauf 12 zweigt vom Heizmittelkreislauf 10 ab. Insbesondere ist der Fernwärmevorlauf 12 zwischen der ND-Verdampfereinheit 31 und der Gabelung 13 angeordnet. Der Fernwärmevorlauf 12 führt einen Teilmassenstrom des Heizmittels vom Heizmittelkreislauf 10 ab und leitet diesen Teilmassenstrom einem Fernwärmenetz zu. Der Fernwärmevorlauf 12 ist mittelbar über das Fernwärmenetz mit einem Fernwärmerücklauf 14 verbunden, der nach der HD-Vorwärmeinheit 23 und der ND-Vorwärmeinheit 33, insbesondere nach der Sammelstelle 17, in den Heizmittelkreislauf 10 mündet.
Durch den Fernwärmevorlauf 12 wird einerseits ein Teilmassenstrom des Heizmittels dem Fernwärmenetz zugeführt. Andererseits wird der Massenstrom des Heizmittels, der für die HD-Vorwärmeinheit 23 und die ND-Vorwärmeinheit 33 zur Verfügung steht, reduziert. Der verbleibende Massenstrom reicht jedoch aus, um die ORC-Fluide in dem HD-ORC-Kreislauf 20 und dem ND-ORC-Kreislauf 30 ausreichend vorzuwärmen. Um im HD-ORC-Kreislauf 20 eine Vorwärmung bis zur Verdampfungstemperatur zu erreichen, ist zusätzlich die Hochtemperatur-Vorwärmeinheit 22 vorgesehen.
Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 2 ist zusätzlich vorgesehen, dass der Heizmittelkreislauf 10 mit Primärvorwärmeinheiten 24, 34 gekoppelt ist. Die Primärvorwärmeinheiten 24, 34 sind in Strömungsrichtung des Heizmittels den Vorwärmeinheiten 23, 33 nachgeordnet.
Insbesondere ist im HD-ORC-Kreislauf 20 eine HD-Primärvorwärmeinheit 24 angeordnet, die in Strömungsrichtung des ORC-Fluids der HD-Vorwärmeinheit 23 vorgeordnet ist. Ebenso weist der ND-ORC-Kreislauf 30 eine ND-Primärvorwärmeinheit 34 auf, die der ND-Vorwärmeinheit in Strömungsrichtung des ORC-Fluids vorgeordnet ist.
Der Heizmittelkreislauf 10 umfasst eine Ausgleichsleitung 16, die die HD-Vorwärmeinheit 23, die ND-Vorwärmeinheit 33, die HD-Primärvorwärmeinheit 24 und die ND-Primärvorwärmeinheit 34 miteinander verbindet. In die Ausgleichsleitung 16 mündet der Fernwärmerücklauf 14. Der über den Fernwärmerücklauf 14 zusätzlich bereitgestellte Heizmittel-Massenstrom erhöht auf diese Weise den Massenstrom des Heizmittels, der durch die Primärvorwärmeinheiten 24, 34 strömt.
Konkret wird das Heizmittel im Heizmittelkreislauf 10 zunächst an der Gabelung 13 in zwei Teilströme aufgeteilt. Der HD-Vorwärmeinheit 23 und der ND-Vorwärmeinheit 33 wird jeweils ein Teilstrom zugeleitet. Die beiden Teilströme werden nach der HD-Vorwärmeinheit 23 und der ND-Vorwärmeinheit 33 durch die Ausgleichsleitung 16 zusammengeführt, wobei gleichzeitig ein Rückstrom aus dem Fernwärmenetz über den Fernwärmerücklauf 14 zugemischt wird. Dieses Gemisch aus den beiden Teilströmen, die aus der HD-Vorwärmeinheit 23 und der ND-Vorwärmeinheit 33 kommen, und dem Rücklauf aus dem Fernwärmenetz über den Fernwärmerücklauf 14 wird wiederum in zwei Primärteilströme aufgeteilt, die jeweils den Primärvorwärmeinheiten 24, 34 zugeführt werden.
In Strömungsrichtung des Heizmittels ist den Primärvorwärmeinheiten 24, 34 die Sammelstelle 17 nachgeordnet. Die Sammelstelle 17 vereint die aus den Primärvorwärmeinheiten 24, 34 kommenden Primärteilströme einschließlich des zugemischten Massenstroms aus dem Fernwärmenetz und führt sie gemeinsam weiter.
Das Ausführungsbeispiel gemäß 3 baut im Wesentlichen auf dem Ausführungsbeispiel gemäß 2 auf. Zusätzlich ist bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 3 vorgesehen, dass in Strömungsrichtung des Heizmittels im Heizmittelkreislauf 10 der HD-Verdampfereinheit 21 ein Fernwärmebypass 11 vorgeordnet ist, der einen Teilstrom des Heizmittels vor der Zuführung zu dem hier beschriebenen ORC-Prozess an das Fernwärmenetz abzweigt. Über den Fernwärmebypass 11 wird also ein Teil des ursprünglichen Heizmittelmassestroms in das Fernwärmenetz abgeleitet. Der Fernwärmebypass 11 ist mittelbar über das Fernwärmenetz mit dem Fernwärmerücklauf 14 verbunden. Gleichzeitig ist der Fernwärmevorlauf 12 mittelbar über das Fernwärmenetz mit dem Fernwärmerücklauf 14 verbunden. Der Fernwärmerücklauf 14 vereint somit alle zuvor für das Fernwärmenetz abgezweigten Teilmassenströme und mischt diese über die Ausgleichsleitung 16 den Primärteilströmen des Heizmittels bei, die den Primärvorwärmeinheiten 24, 34 zugeleitet werden.
In 4 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung gezeigt, wobei das Ausführungsbeispiel gemäß 2 die Grundlage bildet. Ergänzend zu dem Ausführungsbeispiel gemäß 2 ist bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 4 vorgesehen, dass zwischen der HD-Verdampfereinheit 21 und der Hochtemperatur-Vorwärmeinheit 22 eine Zumischleitung 15 abzweigt, die mit dem Fernwärmevorlauf 12 verbunden ist. So kann ein Massestrom des nach der HD-Verdampfereinheit 21 noch relativ heißen Heizmittels in den Fernwärmevorlauf 12 gespeist werden und so im Wesentlichen die Temperatur des für das Fernwärmenetz bereitgestellten Heizmittel-Massenstroms entsprechend erhöhen.
Das Ausführungsbeispiel gemäß 4 geht ebenfalls auf das Ausführungsbeispiel gemäß 2 zurück. Insbesondere der Heizmittelkreislauf 10 ist identisch zu dem Heizmittelkreislauf 10 gemäß 2 aufgebaut.
Das Ausführungsbeispiel gemäß 5 unterscheidet sich von den zuvor beschriebenen Ausführungsbeispielen jedoch durch die Gestaltung der ORC-Kreisläufe 20, 30. Insbesondere ist sowohl im HD-ORC-Kreislauf 20, als auch im ND-ORC-Kreislauf 30 jeweils eine Frostschutzschaltung vorgesehen, die eine Beschädigung der HD-Primärvorwärmeinheit 24 bzw. der ND-Primärvorwärmeinheit 34 vermeiden soll. Eine derartige Frostschutzschaltung kann selbstverständlich bei allen Ausführungsbeispielen der Erfindung implementiert werden.
Konkret ist im HD-ORC-Kreislauf 20 ein Frostschutzbypass 46 vorgesehen, der in Strömungsrichtung des ORC-Fluids nach der HD-Primärvorwärmeinheit abzweigt und vor der HD-Primärvorwärmeinheit 24 wieder in den HD-ORC-Kreislauf 20 mündet. Im Frostschutzbypass 46 ist eine Frostschutzpumpe 47 angeordnet, die für eine entsprechende Zirkulation des ORC-Fluids im Frostschutzbypass 46 dient.
Einen entsprechenden Frostschutzbypass 46 weist der ND-ORC-Kreislauf 30 auf. Dabei zweigt der Frostschutzbypass 46 in Strömungsrichtung des ORC-Fluids nach der ND-Vorwärmeinheit 33 ab und mündet in den ND-ORC-Kreislauf 30 vor der ND-Primärvorwärmeinheit 34. Der Frostschutzbypass 46 im ND-ORC-Kreislauf 30 weist ebenfalls eine Frostschutzpumpe 47 auf, die für die Zirkulation des ORC-Fluids im Frostschutzbypass 46 dient.
Der Frostschutzbypass 46 bewirkt eine Rückspülung des durch die jeweilige Primärvorwärmeinheit 24, 34 vorgewärmten ORC-Fluids und vermeidet so, dass durch die Primärvorwärmeinheit 24, 34 strömendes Heizmittel auf unter den Gefrierpunkt abgekühlt wird. Insbesondere kann der Frostschutzbypass 46, beispielsweise mittels einer entsprechenden Steuerung der Frostschutzpumpe 47, so eingestellt sein, dass eine vorbestimmte Mindesttemperatur des Heizmittels nicht unterschritten wird. Auf diese Weise kann beispielsweise eine chemische Ausfällung im Heizmittel vermieden werden.
In 6 ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung gezeigt, bei welchem der HD-ORC-Kreislauf 20 und der ND-ORC-Kreislauf 30 mit einem gemeinsamen ORC-Kreislauf 40 gekoppelt sind. Die Verwendung eines gemeinsamen ORC-Kreislaufes 40 ist für alle Ausführungsbeispiele der Erfindung möglich und wird anhand von 6 auf Basis des Ausführungsbeispiels gemäß 1 lediglich beispielhaft erläutert.
Der gemeinsame ORC-Kreislauf 40 weist einen gemeinsamen Rekuperator 42, eine gemeinsame Kondensatoreinheit 43, einen gemeinsamen Kondensatorbehälter 44 und eine gemeinsame Speisepumpe 41 auf. Die ORC-Fluide des HD-ORC-Kreislaufs 20 und des ND-ORC-Kreislaufs 30 gelangen nach Austritt aus der HD-Turbine 25 bzw. ND-Turbine 35 gemeinsam in dem gemeinsamen Rekuperator 42. Bei Durchtreten des gemeinsamen Rekuperators 42 wärmt das ORC-Fluidgemisch bereits kondensiertes ORC-Fluidgemisch vor. Mit anderen Worten wird im Rekuperator 42 dem aus den Turbinen entnommenen entspannten ORC-Fluidgemisch Wärme entzogen und dem auskondensierten ORC-Fluidgemisch zugeführt.
Nach der Wärmeabgabe im gemeinsamen Rekuperator 42 gelangt das ORC-Fluidgemisch in die gemeinsame Kondensatoreinheit 43, die beispielsweise einen Luftkondensator oder eine Wasserkühlung umfassen kann. In der gemeinsamen Kondensatoreinheit 43 wird das ORC-Fluidgemisch auskondensiert und im gemeinsamen Kondensatsammelbehälter 44 gesammelt. Über die gemeinsame Speisepumpe 41 wird das auskondensierte und gesammelte ORC-Fluidgemisch zum gemeinsamen Rekuperator 42 gefördert und dort durch die Wärmeübertragung von ORC-Fluidgemisch, welches aus den Turiben 25, 35 entnommen ist, vorgewärmt. Anschließend wird das ORC-Fluidgemisch aufgeteilt und jeweils der HD-Vorwärmeinheit 23 und der ND-Vorwärmeinheit 33 zugeführt. Die ORC-Fluide strömen nun getrennt durch den HD-ORC-Kreislauf 20 bzw. den ND-ORC-Kreislauf 30 und werden erst unmittelbar vor dem gemeinsamen Rekuperator 42 wieder vereint.
Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 6 kann im HD-ORC-Kreislauf 20 zusätzlich eine HD-Speisepumpe 28 vorgesehen sein. Die HD-Speisepumpe 28 ist vorzugsweise unmittelbar nach der Abzweigung des ND-ORC-Kreislaufs 30 angeordnet. Durch die HD-Speisepumpe 28 kann im HD-ORC-Kreislauf 20 ein anderer Druck als im ND-ORC-Kreislauf 30 eingestellt werden.
Im Allgemeinen ist bei allen Ausführungsbeispielen, die in den 1–6 dargestellt sind, vorgesehen, dass die HD-Turbine 25 und die ND-Turbine 35 über ein Getriebe miteinander gekoppelt sind. Insbesondere können die HD-Turbine 25 und die ND-Turbine 35 jeweils Laufräder einer gemeinsamen Turbine bilden, wobei die Laufräder durch ein Untersetzungsgetriebe miteinander verbunden sind. Die HD-Turbine 25 und die ND-Turbine 35 sind mit einem gemeinsamen Generator 45 gekoppelt, der die in den Turbinen 25, 35 erzeugte Bewegungsenergie bzw. mechanische Energie in elektrische Energie umwandelt. Alternativ dazu ist es möglich, dass sowohl der HD-ORC-Kreislauf 20, als auch der ND-ORC-Kreislauf 30 jeweils separate Turbinen 25, 35 aufweisen, wobei jeder Turbine 25, 35 ein eigener Generator 45 zugeordnet ist.
Im Allgemeinen gilt für alle Ausführungsbeispiele, dass als ORC-Fluide in einem oder beiden ORC-Kreisläufen folgende Stoffgruppen verwendet werden können: Silikonöle, ganz- und teilhalogenierte Kohlenwasserstoffe (insbesondere teilfluorierte Kohlenwasserstoffe), Kohlenwasserstoffe (insbesondere Alkane, Alkene, Alkohole). Insbesondere Alkane wie n-Pentan, Isopentan, Neopentan, n-Butan und Isobutan können als ORC-Fluid verwendet werden. Es ist auch möglich ein Stoffgemisch aus den vorgenannten Stoffgruppen als ORC-Fluid einzusetzen.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung oder die erfindungsgemäße Geothermieanlage kann außerdem anlagenbautypische Ausstattungen wie Armaturen, Messinstrumenten, Regelkreisen, eine Steuerung oder ähnliche Hilfskomponenten aufweisen.
Bezugszeichenliste

10: Heizmittelkreislauf
11: Fernwärmebypass
12: Fernwärmevorlauf
13: Gabelung
14: Fernwärmerücklauf
15: Zumischleitung
16: Ausgleichsleitung
17: Sammelstelle
20: Hochdruck-ORC-Kreislauf
21: Hochdruck-Verdampfereinheit
22: Hochtemperatur-Vorwärmeinheit
23: Hochdruck-Vorwärmeinheit
24: Hochdruck-Primärvorwärmeinheit
25: Hochdruck-Turbine
26: Hochdruck-Kondensator
27: Hochdruck-Kondensatsammelbehälter
28: Hochdruck-Speisepumpe
29: Hochdruck-Turbinenbypass
30: Niederdruck-ORC-Kreislauf
31: Niederdruck-Verdampfereinheit
33: Niederdruck-Vorwärmeinheit
34: Niederdruck-Primärvorwärmeinheit
35: Niederdruck-Turbine
36: Niederdruck-Kondensator
37: Niederdruck-Kondensatsammelbehälter
38: Niederdruck-Speisepumpe
39: Niederdruck-Turbinenbypas
40: Gemeinsamer ORC-Kreislauf
41: Gemeinsame Speisepumpe
42: Gemeinsamer Rekuperator
43: Gemeinsame Kondensatoreinheit
44: Gemeinsamer Kondensatsammelbehälter
45: Generator
46: Frostschutzbypass
47: Frostschutzpumpe

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

WO 2009/056341 A2 [0001, 0003]

Claims

Vorrichtung zur Energieerzeugung nach dem ORC-Prinzip mit einem Heizmittelkreislauf (10), einem Hochdruck-ORC-Kreislauf (20) und wenigstens einem Niederdruck-ORC-Kreislauf (30), wobei der Heizmittelkreislauf (10) durch eine Hochdruck-Verdampfereinheit (21) und wenigstens eine Hochdruck-Vorwärmeinheit (23) mit dem Hochdruck-ORC-Kreislauf (20) und durch eine Niederdruck-Verdampfereinheit (31) und wenigstens eine Niederdruck-Vorwärmeinheit (33) mit dem Niederdruck-ORC-Kreislauf (30) thermisch gekoppelt ist, dadurch gekennzeichnet, dass im Heizmittelkreislauf stromabwärts der Hochdruck-Verdampfereinheit (21) ein Fernwärmevorlauf (12) abzweigt.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Fernwärmevorlauf (12) in Strömungsrichtung des Heizmittelkreislaufs (10) unmittelbar nach der Niederdruck-Verdampfereinheit (31) abzweigt.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Fernwärmevorlauf (12) zwischen der Niederdruck-Verdampfereinheit (31) und der Hochdruck-Vorwärmeinheit (23) und/oder der Niederdruck-Vorwärmeinheit (33) abzweigt.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Heizmittelkreislauf (10) in Strömungsrichtung nach dem Fernwärmevorlauf (12) eine Gabelung (13) aufweist, die den Heizmittelkreislauf (10) so aufteilt, dass ein Heizmittelstrom des Heizmittelkreislaufs (10) jeweils anteilig der Hochdruck-Vorwärmeinheit (23) und der Niederdruck-Vorwärmeinheit (33) zugeführt wird.
Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Fernwärmevorlauf (12) zwischen der Niederdruck-Verdampfereinheit (31) und der Gabelung (13) abzweigt.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Fernwärmevorlauf (12) mit einem Fernwärmerücklauf (14) verbunden ist, der in Strömungsrichtung des Heizmittelkreislaufs (10) nach der Hochdruck-Vorwärmeinheit (23) und/oder nach der Niederdruck-Vorwärmeinheit (33) in den Heizmittelkreislauf (10) mündet.
Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnett, dass in Strömungsrichtung des Heizmittelkreislaufs (10) nach der Niederdruck-Vorwärmeinheit (23) eine Hochdruck-Primärvorwärmeinheit (24) im Hochdruck-ORC-Kreislauf (20) und/oder eine Niederdruck-Primärvorwärmeinheit (34) im Niederdruck-ORC-Kreislauf (30) angeordnet ist, wobei die Hochdruck-Vorwärmeinheit (23) mit der Hochdruck-Primärvorwärmeinheit (24) und/oder die Niederdruck-Vorwärmeinheit (33) mit der Niederdruck-Primärvorwärmeinheit (34) jeweils direkt fluidverbunden ist.
Vorrichtung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Fernwärmerücklauf (14) zwischen der Niederdruck-Vorwärmeinheit (33) und der Hochdruck-Primärvorwärmeinheit (24) und/oder zwischen der Niederdruck-Vorwärmeinheit (33) und der Niederdruck-Primärvorwärmeinheit (34) in den Heizmittelkreislauf (10) mündet.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass in Strömungsrichtung des Heizmittelkreislaufs (10) vor dem Hochdruck-Verdampfer (21) ein Fernwärmebypass (11) abzweigt, der mit dem Fernwärmerücklauf (14) verbunden ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Hochdruck-Verdampfereinheit (21) und der Niederdruck-Verdampfereinheit (31) im Hochdruck-ORC-Kreislauf (20) eine zusätzliche Hochtemperatur-Vorwärmeinheit (22) angeordnet ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Hochdruck-ORC-Kreislauf (20) und der Niederdruck-ORC-Kreislauf (30) in einen gemeinsamen ORC-Kreislauf (40) münden, wobei der gemeinsame ORC-Kreislauf (40) eine gemeinsame Speisepumpe (41) und/oder einen gemeinsamen Rekuperator (42) und/oder eine gemeinsame Vorwärmeinheit und/oder eine gemeinsame Kondensatoreinheit (43) aufweist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in Strömungsrichtung des Heizmittelkreislaufs (10) unmittelbar nach der Hochdruck-Verdampfereinheit (21), insbesondere zwischen der Hochdruck-Verdampfereinheit (21) und der zusätzlichen Hochtemperatur-Vorwärmeinheit (22), eine Zumischleitung (15) abzweigt, die mit dem Fernwärmevorlauf (12) verbunden ist.
Geothermieanlage mit einer Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
Verfahren zum Betreiben einer Vorrichtung zur Energieerzeugung nach dem ORC-Prinzip, wobei die Vorrichtung – einen Heizmittelkreislauf (10), – einen Hochdruck-ORC-Kreislauf (20) und – wenigstens einem Niederdruck-ORC-Kreislauf (30) aufweist und – der Heizmittelkreislauf (10) durch eine Hochdruck-Verdampfereinheit (21) und wenigstens eine Hochdruck-Vorwärmeinheit (23) mit dem Hochdruck-ORC-Kreislauf (20) und durch eine Niederdruck-Verdampfereinheit (31) mit dem Niederdruck-ORC-Kreislauf (30) thermisch gekoppelt ist, wobei von einem Heizmittelstrom des Heizmittelkreislaufs (10) stromabwärts der Hochdruck-Verdampfereinheit (21), insbesondere zwischen der Niederdruck-Verdampfereinheit (31) und der Hochdruck-Vorwärmeinheit (23), ein Teilstrom abgezweigt und in ein Fernwärmenetz eingespeist oder zur Erwärmung eines Fernwärmemediums in einem Fernwärmenetz genutzt wird.
Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung zur Energieerzeugung nach einem der Ansprüche 1 bis 12 ausgebildet ist.