DE102011108067A1

DE102011108067A1 - Elektrische Energiegewinnung aus Umweltwärme durch einen kombinierten Wärmepumpen-ORC-Prozess, mit Kondensationswärmerückgewinnung im ORC-Prozess und Kältemitteltemperaturanhebung im Wärmepumpenkreislauf

Info

Publication number: DE102011108067A1
Application number: DE201110108067
Authority: DE
Inventors: Auf Nichtnennung Antrag
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2011-07-14
Filing date: 2011-07-14
Publication date: 2013-01-17

Abstract

Die Erfindung beschreibt einen ORC-Prozess in dem ein Arbeitsmedium mit niedrigem Siedepunkt von einem Umgebungsluftwärmetauscher und/oder vom Verflüssiger einer Wärmepumpe erhitzt wird. Das erhitzte Arbeitsmedium treibt über eine Expansionsmaschine einen Generator an. Der erzeugte Strom versorgt den Elektromotor des Verdichters der Wärmepumpe. Somit entsteht ein Kreisprozess. Der zu erwartende Stromüberschuß kann als regenerativ erzeugte elektrische Energie genutzt werden. Die Kondensationswärme wird durch ein System von 2 Gegenstromwärmetauschern zu einem großen Teil wieder zurückgewonnen. Bei Außentemperaturen deutlich unter der des ORC-Mediums nach der Kondensationswärmerückgewinnung, wird über einen Hilfskreislauf in der Wärmepumpe, mit ebenfalls zwei Gegenstromwärmetauschern, die Kältemitteltemperatur im Niederdruckteil angehoben, um das Absinken der Leistungszahl im Winter zu begrenzen.

Description

Mit Ausnahme der Biomasseverbrennung stehen die anderen regenerativen Energien, Sonne, Wind und Wasser, nur zeitweise oder in häufig wechselnder Stärke zur Verfügung. Die Geothermie steht im Verdacht künstliche Erdbeben zu erzeugen. Um unabhängiger von Sonneneinstrahlung, Windstärke und den Pegelständen der Flüsse zu sein, zielt die nachstehend beschriebene Erfindung darauf ab, die Umgebungswärme als eine kontinuierlichere, regenerative Energiequelle zu erschließen.
Die Erfindung besteht aus zwei Hauptteilen: 1. dem ORC-Dampfprozess und 2. der Wärmepumpe.
Im Fallbeispiel wird Butan als Arbeitsmedium des ORC-Kreislaufes angenommen. Butan hat bei athmosphärischem Druck einen Siedepunkt von –0,5°C und entwickelt bei +43°C einen Überdruck von 3 bar (siehe Dampfdruckkurve ). Im Kältemittelverflüssiger der Wärmepumpe ( , Wärmetauscher 5) wird das Butan auf diesen Wert erhitzt und dann einer Expansionsmaschine zugeführt. Für den Prototypen ist eine Kolbendampfmaschine vorgesehen, später soll eine Niederdruckdampfturbine verwendet werden. Das Einlaßventil schließt, wenn der Arbeitskolben 1/6 seines Hubweges zurückgelegt hat. Der Butandampf drückt den Arbeitskolben weiter zurück und treibt dadurch den Generator an. Das Volumen des Butandampfes steigt dabei um das 6-fache, der Druck sinkt auf etwas weniger als 1/6, die Temperatur fällt auf +10°C. Der Abdampf gelangt dann in den Kondensator, bestehend aus drei Teilen: 1. oben der Abdampfraum, 2. in der Mitte ein Gegenstromwärmetauscher ( , Wärmetauscher 1) und 3. unten der Sammler. Abdampfraum und Sammler sind durch Röhren miteinander verbunden, an denen zur Wärmeübertragung und zur Luftleitung Kupferbleche angebracht sind. Röhren und Kupferbleche stellen den Gegenstromwärmetauscher dar. Wärmetauscher 1 soll, wie auch alle nachstehend beschriebenen Wärmetauscher, einen Wirkungsgrad von mindestens 0,9 erreichen. In dem Raum zwischen den Röhren zirkuliert auf –6°C abgekühlte Luft von unten nach oben. Das von oben nach unten strömende Butan kühlt sich auf –4,4°C ab und kondensiert. Die nach oben zirkulierende Luft erwärmt sich auf +8,4°C. Gegenstromwärmetauscher 1 ist mit zwei Lüftungskanälen oben und unten mit einem zweiten, gegenläufig arbeitenden Gegenstromwärmetauscher verbunden ( , Wärmetauscher 2). Eine Flüssiggaspumpe entnimmt dem Sammler Butan und pumpt es in den Gegenstromwärmetauscher 2, von unten nach oben. Die auf +8,4°C erwärmte Luft strömt von oben in den zweiten Wärmetauscher hinein und gibt dabei einen großen Teil der zur Kondensation erforderlichen Temperaturdifferenz und damit die Kondensationswärme, wieder an das Butan ab und erwärmt es dabei auf +7,1°C. Die auf –3,1°C abgekühlte Luft strömt dann wieder in Richtung erster Wärmetauscher usw.
Da die beiden Wärmetauscher keinen Wirkungsgrad von 100% erreichen können (sondern 0,9 × 0,9 = 0,81), würde sich das Lüftungssystem langsam auf +10°C erwärmen. Daher ist für den unteren Lüftungskanal zwischen dem Ausgang des zweiten Wärmetauschers und dem Ventilator ein kleines Kühlregister vorgesehen ( Wärmetauscher 7), das die Luft von –3,1°C auf –6,0°C herunterkühlt. Dieses Kühlregister ist mit dem Wärmetauscher 8 (Vorverdampfer) im Wärmepumpenkreislauf verbunden, der zwischen der Drosseldüse und dem Hauptverdampfer sitzt. Arbeitsmedium ist in diesem Kreislauf ein Frostschutzmittel das über eine Hocheffizienzpumpe zirkuliert.
Im Winterbetrieb wird das Butan von Wärmetauscher 2 weitergeleitet zum Verflüssiger der Wärmepumpe. Dieser ist zweigeteilt in Wärmetauscher 4 und 5. In 4 wird das Butan vorgewärmt, in 5 wird es verdampft und auf die Endtemperatur +43°C erhitzt.
Im Sommerbetrieb wird das Butan zuerst über einen Umgebungsluftwärmetauscher ( , Wärmetauscher 3) geführt, dabei vorgewärmt und dann erst an den Verflüssiger der Wärmepumpe weitergeleitet. Die Differenz zwischen +7,1°C und annähernd Lufttemperatur muß dann nicht mehr von der Wärmepumpe erbracht werden, was deren Leistungszahl und den Wirkungsgrad der Gesamtanlage erhöht.
Um einen möglichst großen Anteil des Stromes als regenerative Energie nutzen zu können sind alle Anlagenteile auf hohe Energieeffizienz auszulegen. Wie aus verschiedenen Fachzeitschriften in den letzten Jahren zu erfahren war, konnten in praktisch allen Bereichen Steigerungen der Wirkungsgrade erzielt werden. Moderne Hochdruckdampfturbinen erreichen z. B. einen Wirkungsgrad von 0,6, in den 60er-Jahren lag er noch bei 0,35–0,4. Durch verbesserte Wärmetauscher war bei den Wärmepumpen eine Steigerung von 0,5 auf 0,6 möglich und die neuesten Generatoren erreichen einen Wirkungsgrad von 0,95 statt bisher 0,9. Die neuen Hocheffizienzpumpen für Heizungsanlagen verbrauchen in Einfamilienhäusern gerade noch 5–10 W, ihre Vorgängerinnen das 3–5 fache. Und auch die Ventilatoren in neuen Lüftungs- und Klimaanlagen wurden effizienter.
Um zu verdeutlichen welches Potential durch die oben beschriebene Anlage erschlossen werden soll, sind im Folgenden 4 Fallbeispiele erläutert, je ein Beispiel für Sommerbetrieb und Winterbetrieb mit nicht optimierten und mit optimierten Anlagenteilen (Energieflußdiagramme in – ).
Beispiel 1

Winterbetrieb, nicht optimiert (Abb. 3)

η-Turbine	= 0,4
η-Generator	= 0,9
η-Wärmepumpe	= 0,5
Antrieb Flüssiggaspumpe	= 2,5% der Wärmeleistung
Antrieb Ventilator	= 1,5% der Wärmeleistung
Butantemperatur max.	= +43°C = 316°K
Lufttemperatur	= +6°C = 279°K

Die Carnotsche Formel für Kraftwärmemaschinen ist: η_C = T : (T – T₀) = 316°K : (316°K – 279°K) = 8,54
Der theoretische Carnot-Wirkungsgrad ist 8,54.
Multipliziert mit dem tatsächlichen Wirkungsgrad 0,5: 8,54 × 0,5 = 4,27
Die Leistungszahl der Wärmepumpe beträgt 4,27.
Der Anteil der Antriebsenergie an der Wärmeenergie ist: 100% : 4,27 = 23,42%
Die Turbine hat einen Verlust von 60%. Der Generator setzt die verbleibenden 40% mit einem Verlust von 4% in Strom um. Für den Stromüberschuß ergibt sich dann folgende Rechnung: 100% – 60% – 4% – 1,5% – 2,5% – 23,42% = 8,58%
Für die Stromerzeugung verbleibt vorläufig 8,58% der Wärmeenergie!
Beispiel 2:
Sommerbetrieb, nicht optimiert (Abb. 4)

Wirkungsgrade und Antriebsverluste wie in Beispiel 1

Butantemperatur max. = +43°C = 316°K

Lufttemperatur = +19°C

η-Umgebungsluftwärmetauscher = 0,9
Differenz 7,12°C/Lufttemperatur: 19°C – 7,12°C = 11,88°C
Multipliziert mit η-Umgebungsluftwärmetauscher: 11,88°C × 0,9 = 10,69°C
Butantemperatur nach Umgebungsluftwärmetauscher: 10,7°C + 7,12°C = 17,82°C = 290,82°K
Die Carnotsche Formel für Kraftwärmemaschinen ist: η_C = T : (T – T₀) = 316°K : (316°K – 290,82°K) = 12,55
Der theoretische Carnot-Wirkungsgrad ist 12,55.
Multipliziert mit dem tatsächlichen Wirkungsgrad von 0,5: 12,55 × 0,5 = 6,275
Die Leistungszahl der Wärmepumpe beträgt 6,275.

Butantemperatur nach Wärmetauscher 2 = +7,12°C

Butantemperatur nach Wärmetauscher 3 = +17,82°C

Butantemperatur nach Wärmetauscher 4/5 = +43,00°C

43,00°C – 7,12°C = 35,88°C = 100%
Temperaturdifferenz Wärmetauscher 3: 17,82°C – 7,12°C = 10,7°C 10,7°C : 35,88°C × 100% = 29,82%
Temperaturdifferenz Wärmetauscher 4/5: 43,00°C – 17,82°C = 25,18°C 25,18°C : 35,88°C × 100% = 70,18%
Anteil des Wärmepumpenantriebs an der Wärmeleistung: 70,18% : 6,275 = 11,18%
Die Turbine hat wiederum einen Verlust von 60%, der Generator 4% und die Flüssiggaspumpe 2,5%. Die beiden Ventilatoren, einer im Kondensationskreislauf und einer am Umgebungsluftwärmetauscher, werden mit je 1,5% veranschlagt. Das ergibt folgende Schlußrechnung: 100% – 60% – 4% – 2,5% – (2 × 1,5%) – 11,2% = 19,3%
Für die Stromerzeugung verbleiben vorläufig 19,3% der Wärmeenergie.
Beispiel 3:
Winterbetrieb, optimiert (Abb. 5)

Für den optimierten Betrieb werden folgende verbesserte Werte angenommen:

η-Turbine	= 0,5
η-Generator	= 0,95
η-Wärmepumpe	= 0,6
Antrieb Flüssiggaspumpe	= 1,5% der Wärmeleistung
Antrieb Ventilator	= 1,0% der Wärmeleistung
Butan- und Lufttemperatur wie in Beispiel 1

Theoretischer Carnot-Wirkungsgrad multipliziert mit dem tatsächlichen Wirkungsgrad 0,6: 8,54 × 0,6 = 5,124
Die Leistungszahl der Wärmepumpe ist jetzt 5,124.
Der Anteil der Antriebsenergie an der Wärmeenergie ist: 100% : 5,124 = 19,52%
Die Turbine hat dieses mal einen Verlust von 50%, die restlichen 50% setzt der Generator mit einem Verlust von 2,5% in Strom um. Für den Stromüberschuß ergibt sich dann folgende Rechnung: 100% – 50% – 2,5% – 1,0% – 1,5% – 19,5% = 25,5%
Für die Stromgewinnung verbleiben vorläufig 25,5% der Wärmeenergie.
Beispiel 4:
Sommerbetrieb, optimiert (Abb. 6)
Wirkungsgrade und Antriebsverluste wie in Beispiel 3, Lufttemperatur wie in Beispiel 2.
Theoretischer Carnot-Wirkungsgrad multipliziert mit tatsächlichem Wirkungsgrad 0,6: 12,55 × 0,6 = 7,53
Die Leistungszahl der Wärmepumpe ist 7,53.
Der Anteil der Antriebsenergie an der Wärmeenergie ist: 70,18% : 7,53 = 9,32%
Die Turbine hat wiederum einen Verlust von 50%, der Generator von 2,5%, die Flüssiggaspumpe von 1,5% und die beiden Ventilatoren von je 1,0%. Das ergibt folgende Schlußrechrechnung: 100% – 50% – 2,5% – 1,5% – (2 × 1,0%) – 9,3% = 34,7%
Für die Stromerzeugung verbleiben vorläufig 34,7% der Wärmeenergie.
Die Energieflußdiagramme sind rein nach den Wirkungsgraden berechnet. Sie berücksichtigen noch nicht, daß der Hauptverlust, derjenige durch die Turbine, zu einem Teil auf den Wärmeverlust des Abdampfes zurückgeht, der jedoch durch den Kondensationskreislauf zu etwa 80 wieder zurückgewonnen werden soll. Der ORC- bzw. der Butankreislauf verliert Energie nur über die Wärmeisolierung und das kleine Kühlregister auf der kalten Seite des Lüftungskreislaufes, Dieser Wärmetauscher 7 kühlt den Kondensationskreislauf lediglich um etwa 3°C ab. Deshalb ist mit einem um ca. 10% höheren Gesamtwirkungsgrad zu rechnen. Die endgültigen Daten für die Stromgewinnung sind dann:

Winterbetrieb, nicht optimiert: 18,58%

Sommerbetrieb, nicht optimiert: 29,3%

Winterbetrieb, optimiert: 35,5%

Sommerbetrieb, optimiert: 44,7%
Als Wärmequelle für die Wärmepumpe kann prinzipiell sowohl Erdwärme, Grundwasser als auch die Umgebungsluft genutzt werden. Während Erdwärme und Grundwasser ein über den Jahresverlauf kontinuierlicheres Temperaturniveau haben und nicht unter den Gefrierpunkt absinken, kann man im Gegensatz dazu mit der Umgebungsluft die günstigeren Bedingungen im Sommer nutzen. Die vier Fallbeispiele gehen von einer Wärmepumpe mit Luftwärmetauscher aus. Wenn im Winter erhebliche Minusgrade eintreten, z. B. –10°C, würde aber die Leistungszahl stark absinken und die von der Wärmepumpe zu erbringende Temperaturdifferenz von –10°C bis +7,1°C könnte überhaupt nicht energetisch genutzt werden. Deshalb ist es vorgesehen den Wärmepumpenkreislauf durch eine Kältemitteltemperaturanhebung nach unten abzukoppeln. Dazu dient ein Hilfskreislauf ( ) mit zwei Gegenstromwärmetauschern, einer zwischen Verflüssiger und Drosseldüse (Wärmetauscher 9) und einer zwischen Verdampfer und Verdichter (Wärmetauscher 10). Arbeitsmedium ist in diesem Kreislauf ein Wasser-Frostschutzmittel-Gemisch, das über eine Hocheffizienzpumpe zirkuliert. Im Beispiel wird von einer Außentemperatur von –10°C ausgegangen. Wärmetauscher 9 erhält von Wärmetauscher 10 annähernd auf Umgebungstemperatur gebrachtes Wasser-Frostschutzmittel-Gemisch. Damit kühlt er das vom Verflüssiger kommende, noch +11,1°C warme Kältemittel auf etwa –8,2°C ab und erwärmt sich dabei auf +8,7°C. Die Pumpe bringt das Wasser-Frostschutzmittel-Gemisch dann wieder zum Wärmetauscher 10 und wärmt dort das im Verdampfer annähernd auf Umgebungstemperatur (–13°C) gebrachte Kältemittel auf +6°C nach. Am Verdichter steht somit nie eine niedrigere Temperatur als +6°C an. Das bedeutet, die Leistungszahl der Wärmepumpe sinkt auch im Winter nicht unter 4,27 (η = 0,5), bzw. 5,12 (η = 0,6).

Claims

Elektrische Energiegewinnung aus Umgebungswärme durch einen kombinierten Wärmepumpen-ORC-Prozess dadurch gekennzeichnet, daß ein Umgebungsluftwärmetauscher und/oder der Verflüssiger der Wärmepumpe das Arbeitsmedium des ORC-Dampfprozesses erhitzen. Eine Expansionsmaschine setzt die Wärmeenergie des Arbeitsmediums in Bewegungsenergie um und treibt den Generator an. Der Generator versorgt den Elektromotor des Verdichters der Wärmepumpe und die Hilfsaggregate (Pumpen und Ventilatoren) mit Strom. So entsteht ein Kreisprozess. Der Stromüberschuß wird als regenerative elektrische Energie genutzt.
Kondensationsanlage mit Wärmerückgewinnung für ORC-Prozess-Arbeitsmedium dadurch gekennzeichnet, daß zwei Gegenstromwärmetauscher entgegen der Fließrichtung des ORC-Arbeitsmediums von abgekühlter Luft durchströmt werden. Die Luft zirkuliert in einem Kreislauf. Im ersten Wärmetauscher kondensiert das ORC-Arbeitsmedium durch die abgekühlte Luft, im zweiten Wärmetauscher wird die Kondensationswärme wieder durch die im ersten Wärmetauscher erwärmte Luft an das verflüssigte ORC-Arbeitsmedium abgegeben. Die beim Verlassen des zweiten Wärmetauschers nicht ganz auf Ausgangstemperatur abgekühlte Luft, wird über ein Kühlregister, das von einem Wärmetauscher im Niederdruckteil der Wärmepumpe versorgt wird, weiter herunter gekühlt. Der Kreislauf beginnt von Neuem.
Kältemitteltemperaturanhebung im im Niederdruckteil des Wärmepumpenkreislaufs dadurch gekennzeichnet, daß ein Hilfskreislauf mit zwei Gegenstromwärmetauschern gegenläufig zur Fließrichtung des Kältemittels von einem Arbeitsmedium durchströmt wird. Wärmetauscher 1 sitzt zwischen Verflüssiger und Drosseldüse, Wärmetauscher 2 zwischen Verdampfer und Verdichter. Wärmetauscher 1 erhält von Wärmetauscher 2 das annähernd auf Umgebungstemperatur gebrachte Arbeitsmedium und kühlt damit das Kältemittel weiter ab. Dabei erwärmt sich das Hilfskreislaufmedium auf annähernd Verflüssigeausgangstemperatur und strömt über eine Pumpe wieder zu Wärmetauscher 2 zurück. Dort wärmt es das im Verdampfer knapp auf Umgebungstemperatur gebrachte Kältemittel auf fast die Verflüssigerausgangstemperatur nach. Somit steht am Verdichter keine niedrigere Temperatur an als, als die des Arbeitsmediums des ORC-Prozesses nach der Kondensationswärmerückgewinnung.
Elektrische Energiegewinnung aus Umgebungswärme durch einen kombinierten Wärmepumpen-ORC-Prozess wie unter 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Umgebungsluftwärmetauscher durch einen Sonnenkollektor ergänzt oder ersetzt wird.