DE102021111918B4

DE102021111918B4 - Verfahren zur bereitstellung von prozessdampf und verfahrenstechnische anlage zur nutzung von prozessdampf

Info

Publication number: DE102021111918B4
Application number: DE102021111918.9A
Authority: DE
Inventors: Marcus Budt; Sven Klute
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2021-05-07
Filing date: 2021-05-07
Publication date: 2024-01-25
Anticipated expiration: 2041-05-08
Also published as: CN117255917A; US20240377106A1; CA3218294A1; EP4334642A1; DE102021111918A1; JP2024517263A; WO2022233554A1; KR20240006573A

Abstract

Verfahren zur Bereitstellung von Prozessdampf (22) für einen Prozess unter Verwendung geothermaler Wärme,- bei dem die geothermale Wärme eines in einer geothermalen Wärmequelle aufgeheizten Thermalfluids (3) zur Bereitstellung eines Geothermiedampfs (6) genutzt wird,- bei dem ein Aufwertedampf (12,16) zur Aufwertung des Geothermiedampfs (6) genutzt wird und- bei dem bei der Aufwertung der Geothermiedampf (6) gleichzeitig verdichtet und aufgeheizt wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bereitstellung von Prozessdampf für einen, insbesondere verfahrenstechnischen, Prozess unter Verwendung geothermaler Wärme. Ferner betrifft die Erfindung eine verfahrenstechnische Anlage, insbesondere zur Papierherstellung, zur Nutzung von Prozessdampf bereitgestellt unter Verwendung geothermaler Wärme.
Unter geothermaler Wärme wird die in Form von Wärme vorliegende Energie unterhalb der Erdoberfläche verstanden. Wird eine geothermale Wärmequelle in einer Tiefe von bis zu 400 m unterhalb der Erdoberfläche genutzt, spricht man von oberflächennaher Geothermie, während man bei noch größeren Tiefen von Tiefengeometrie spricht. Die potentielle Nutzung der Tiefengeothermie unterteilt sich in hydrothermale Systeme, bei denen warmes, natürlich vorkommendes Untergrundwasser genutzt wird, und petrothermale Systeme, bei denen überwiegend die im Stein gespeicherte Energie genutzt wird, und zwar beispielsweise durch tiefe Erdwärmesonden oder in den Stein gepumptes Wasser. In vielen Fällen ist das Temperaturniveau der nutzbaren geothermalen Wärme so gering, dass diese lediglich zum Beheizen und Kühlen von Gebäuden genutzt wird. An einigen Standorten ist die Temperatur jedoch so hoch, dass sich aus der geothermalen Wärme ein Prozessdampf gewinnen lässt, der in verfahrenstechnischen Anlagen genutzt werden kann.
In diesem Zusammenhang sind Verfahren bekannt, bei denen Wasser in einem Verdampfer über indirekten Wärmetausch unter Nutzung von Thermalwasser in Prozessdampf gewandelt wird, der sich sodann in einer verfahrenstechnischen Anlage nutzen lässt. Dies erfordert jedoch die Verfügbarkeit von Thermalwasser auf einem Temperaturniveau das oberhalb des Temperaturniveaus des Prozessdampfs liegt. Da die Temperaturen des Thermalwassers hierfür jedoch oft nicht ausreichen, sind verschiedene Verfahren zur Bereitstellung von Prozessdampf auf einem höheren Temperaturniveau als dem Temperaturniveau des Thermalwassers vorgeschlagen worden. So ist es bekannt, das Thermalwasser in einem Flashtank zu entspannen, um Dampf zu gewinnen, wobei entweder das Thermalwasser oder der Dampf durch Verbrennung fossiler Brennstoffe aufgeheizt wird, um Prozessdampf auf dem gewünschten Temperaturniveau bereitstellen zu können. Alternativ kann der in dem Flashtank erzeugte Dampf auch über eine mechanische Verdichtung auf die erforderliche Prozessdampftemperatur aufgeheizt bzw. auf den erforderlichen Prozessdampfdruck gebracht werden. In einer weiteren Abwandlung des Verfahrens wird der Dampf aus dem Flashtank zunächst zur Verdampfung eines Prozessfluids genutzt, wobei die Temperatur des Dampfs des Prozessfluids anschließend mittels mechanischer Kompression angehoben wird, um Prozessdampf des gewünschten Temperaturniveaus bzw. Druckniveaus zu erhalten. Das Anheben des Drucks geht dabei mit einer Temperaturerhöhung einher, wobei die Temperatur in einem weiteren Prozessschritt gezielt eingestellt oder variiert werden kann. Des Weiteren ist in diesem Zusammenhang auch der Einsatz von geschlossenen Wärmepumpen bekannt. Allerdings sind diese Verfahren aufgrund der erforderlichen Wärmepumpenmedien hinsichtlich der Temperaturen des Thermalwassers und der erreichbaren Temperaturen stark eingeschränkt. Es werden mit bekannten Verfahren unter Verwendung von geschlossenen Wärmepumpen Temperaturen von maximal 160 °C erreicht. Es besteht mithin weiter Bedarf an einfacheren, effizienteren und wirtschaftlicheren Verfahren sowie verfahrenstechnischen Anlagen.
Verfahren zur Bereitstellung von Prozessdampf sind beispielsweise aus der DE 10 2004 048 932 A1 und der DE 10 2015 117 492 A1 bekannt.
Daher liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, das Verfahren und die verfahrenstechnische Anlage jeweils der eingangs genannten und zuvor näher erläuterten Art derart auszugestalten und weiterzubilden, dass ein klimafreundlicherer, einfacherer, effizienterer und wirtschaftlicherer Betrieb möglich ist.
Diese Aufgabe ist gemäß Anspruch 1 gelöst durch ein Verfahren zur Bereitstellung von Prozessdampf für einen, insbesondere verfahrenstechnischen, Prozess unter Verwendung geothermaler Wärme,

- bei dem die geothermale Wärme eines in einer geothermalen Wärmequelle aufgeheizten Thermalfluids zur Bereitstellung eines Geothermiedampfs genutzt wird,
- bei dem ein Aufwertedampf zur Aufwertung des Geothermiedampfs genutzt wird und
- bei dem bei der Aufwertung der Geothermiedampf gleichzeitig verdichtet und aufgeheizt wird.

Die genannte Aufgabe ist ferner gemäß Anspruch 11 gelöst durch eine verfahrenstechnische Anlage, insbesondere zur Papierherstellung, zur Nutzung von Prozessdampf unter Verwendung geothermaler Wärme, insbesondere nach einem der Ansprüche 1 bis 10, mit einer Geothermiestation zum Aufheizen eines Thermalfluids durch geothermale Wärme in einer unterirdischen, geothermischen Wärmequelle und zum Bereitstellen eins Geothermiedampfs unter Nutzung der geothermalen Wärme des Thermalfluids, mit einer Quelle für Aufwertedampf und einer Aufwerteeinrichtung zum gleichzeitigen Verdichten und Aufheizen des Geothermiedampfs durch den Aufwertedampf.
Es wird also der Prozessdampf erfindungsgemäß durch Verwendung eines Geothermiedampfs und eines Aufwertedampfs erzeugt. Der Geothermiedampf wird dabei unter Nutzung einer geothermalen Wärmequelle erzeugt. Hierzu wird ein aufgeheiztes Thermalfluid, bei dem es sich vorzugsweise um Wasser handelt, aus dem Erdboden entnommen und zum Erzeugen eines Geothermiedampfs genutzt. Dabei kann das Thermalfluid beispielsweise in einem Flashtank entspannt werden, und zwar insbesondere dann, wenn das Thermalfluid flüssig vorliegt. Der aus dem Flashtank austretende Dampf kann dann direkt als Geothermiedampf genutzt werden oder weiter aufgeheizt werden. Insbesondere für den Fall, dass das Thermalfluid zunächst als Flüssigkeits-Dampf-Gemisch vorliegt, kann das Thermalfluid in einem Flashtank in Dampf und Flüssigkeit getrennt werden. Erfolgt zudem noch eine teilweise Entspannung des Thermalfluids kann ferner ein Teil der flüssigen Phase in dem Flashtank verdampft werden.
Denkbar ist dabei grundsätzlich auch, dass das Thermalfluid seine Wärme zunächst teilweise auf ein anderes Fluid überträgt, um dieses zu verdampfen oder wenigstens aufzuheizen. Dies bietet sich insbesondere an, um einen Thermalkreislauf bereitzustellen, etwa wenn mit unerwünschten Verunreinigungen des Thermalfluids in der geothermischen Wärmequelle gerechnet werden muss. Dann lässt sich die Wärme des Thermalfluids zunächst auf Wasser oder ein anderes, einfach zu handhabendes Medium übertragen. Das aufgeheizte Wasser oder das andere Medium kann in einem Flashtank in Dampf und Flüssigkeit getrennt und/oder zur Bildung von Dampf teilweise entspannt werden. Der Dampf lässt sich direkt als Geothermiedampf nutzen oder zuvor noch in einem separaten Schritt weiter aufheizen.
Sollte das Thermalfluid in der geothermalen Wärmequelle auf eine Temperatur von weniger als 100 °C aufgeheizt werden, kann das Thermalfluid anschließend unter Nutzung einer anderen Wärmequelle weiter aufgeheizt werden, um mit dem entsprechend aufgeheizten Thermalfluid ein Geothermiedampf zu erzeugen. Bedarfsweise kann die Wärme des Thermalfluids auch erst auf Wasser oder ein anderen Medium übertragen werden, das dann in einem weiteren Schritt weiter aufgeheizt wird, um auf diese Weise einen Geothermiedampf zu erzeugen.
Insbesondere für den Fall, dass Thermalfluid nur auf einem niedrigen Temperaturniveau bereitsteht, kann Geothermiedampf mit einem Druck unterhalb des Umgebungsdrucks bzw. des Normaldrucks verwendet oder bereitgestellt werden. Dies geht bedarfsweise mit energetischen Vorteilen einher, da hierbei nur eine geringe Verdampfungsenthalpie erforderlich ist. Dabei kann die Temperatur des Geothermiedampfs dementsprechend viel geringer liegen als die unter Normalbedingungen erforderlichen 100 °C. Durch die sich anschließende Aufwertung kann dann trotzdem problemlos ein Prozessdampf mit einem Druck gewonnen werden, der deutlich über dem Umgebungsdruck bzw. dem Normaldruck liegen kann. Mit anderen Worten ist das Druckniveau des Geothermiedampfs nicht zwingend nach unten durch den Umgebungsdruck bzw. den Normaldruck beschränkt. Vielmehr kann der Druck des Geothermiedampfs je nach Anwendungsfall in geeigneter Weise gewählt werden.
Der Aufwertedampf kann auf eine andere Art als durch Nutzung der geothermalen Wärme gewonnen werden oder ohnehin bereits zur Verfügung stehen. Auf diese Weise kann der Aufwertedampf den Geothermiedampf mittels einer Aufwertung energetisch aufwerten. Unter einer Aufwertung wird vorliegend ein Verfahrensschritt verstanden, bei dem das Aufheizen und das Verdichten des Geothermiedampfs gleichzeitig erfolgen. Das Aufheizen und das Verdichten kann dabei nicht in zwei separate und voneinander getrennte Verfahrensschritte aufgeteilt werden. Man könnte dies daher prinzipiell auch als thermische Kompression bezeichnen.
Das zuvor beschriebene Verfahren lässt sich in einer verfahrenstechnischen Anlage nutzen, um Prozessdampf bereitzustellen. Dazu wird eine Geothermiestation zum Aufheizen des Thermalfluids durch eine unterirdische geothermale Wärmequelle benötigt. Zudem wird in der Geothermiestation unter Nutzung der geothermalen Wärme des Thermalfluids der Geothermiedampf erzeugt. Des Weiteren wird eine Quelle für Aufwertedampf benötigt, wobei der Aufwertedampf bedarfsweise schon bereitstehen kann, also nicht separat erzeugt werden muss. Der Aufwertedampf wird in einer Aufwerteeinrichtung zum Aufwerten des Geothermiedampfs genutzt, indem der Geothermiedampf durch den Aufwertedampf gleichzeitig verdichtet und aufgeheizt wird.
Dabei bietet es sich besonders an, wenn es sich bei der verfahrenstechnischen Anlage um eine Anlage zur Papierherstellung handelt. Hier kommen die Vorteile des Verfahrens besonders zum Tragen, da bei der Papierherstellung recht viel Prozessdampf auf einen wenigstens moderaten bis hohen Temperatur- und Druckniveau benötigt wird. Dies lässt sich auf die beschriebene Art und Weise besonders klimafreundlich, einfach, effizient und wirtschaftlich sicherstellen.
Bei einer ersten besonders bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens wird ein Aufwertedampf mit einem größeren Druck und einer höheren Temperatur als der Druck und die Temperatur des Geothermiedampfs zur Aufwertung des Geothermiedampfs genutzt. Dies ist besonders einfach möglich. Dabei ist es beispielsweise möglich, den Aufwertedampf und den Geothermiedampf bei der Aufwertung apparativ und verfahrensmäßig zu mischen. Erforderlich ist dies aber nicht. Es wäre auch ein gleichzeitiges Verdichten und Erhitzen des Geothermiedampfs beim Aufwerten möglich, ohne dass es dabei zu einem Vermischen von Aufwertedampf und Geothermiedampf kommt. Ein besonders einfaches Beispiel hierfür wäre eine indirekte Wärmeübertragung. Zudem ist es denkbar, dass der Geothermiedampf mit einem Aufwertedampf mit einem geringeren Druck und einer geringeren Temperatur als der Geothermiedampf aufgewertet wird. Dies ist jedoch prinzipiell mit einem erhöhten apparativen Aufwand verbunden.
Der Einfachheit halber bietet es sich an, wenn der Geothermiedampf durch den Aufwertedampf in einem Dampfstrahlverdichter mittels direktem Wärmetausch aufgeheizt und verdichtet wird. Dabei wird der Aufwertedampf über einer Drossel des Dampfstrahlverdichters teilweise entspannt, so dass der Aufwertedampf eine hohe Geschwindigkeit erreicht und dabei Geothermiedampf mit einem geringeren Druck als der Ausgangsdruck des Aufwertedampfs aus einer Nebenleitung ansaugt. Der Geothermiedampf wird sodann mit dem Aufwertedampf vermischt und dabei beschleunigt. Anschließend wird der erzeugte Mischdampf aus Geothermiedampf und Aufwertedampf in einem Diffusor abgebremst und so ein Prozessdampf mit einem hinreichenden Druck und einer hinreichenden Temperatur erzeugt. Der Druck des Prozessdampfs liegt dabei ebenso wie dessen Temperatur vorzugsweise zwischen dem Druck bzw. der Temperatur des Aufwertedampfs und des Geothermiedampfs.
Alternativ oder zusätzlich kann der Geothermiedampf durch den Aufwertedampf mit Hilfe eines Verdichters umfassend eine durch den Aufwertedampf angetriebene Turbine aufgeheizt und verdichtet werden. Hierdurch wird grundsätzlich eine größere Flexibilität hinsichtlich des Umfangs und der Art der Aufwertung des Geothermiedampfs ermöglicht werden. Hier kann bedarfsweise ein Vermischen von Aufwertedampf und Geothermiedampf unterbleiben. Der Aufwertedampf treibt getrennt von dem Geothermiedampf eine Turbine an, die dann einen Verdichter antreibet, in dem der Geothermiedampf wenigstens einstufig aufgewertet wird. Diese Aufwertung erfolgt unter gleichzeitigem Verdichten und Aufheizen des Geothermiedampfs.
Dabei bietet es sich besonders an, wenn als Verdichter ein von der Turbine angetriebener Turbokompressor eines Turboladers verwendet wird. Dabei können bei einem solchen Turbolader die Turbine und der Turbokompressor auf einer gemeinsamen Welle angeordnet sein, so dass die Turbine und der Turbokompressor bedarfsweise ohne eine Übersetzung direkt gekoppelt sind. Zwingend ist dies jedoch nicht. Zwischen der Turbine und dem Turbokompressor könnte auch eine beliebige Art eines Getriebes vorgesehen sein, um zwischen der Turbine und dem Turbokompressor eine Übersetzung oder wahlweise eine Untersetzung bereitzustellen. Die Turbine kann hier mit einem zur Verfügung stehenden Aufwertedampf betrieben werden, wobei es nicht so sehr entscheidend für die Aufwertung des Geothermiedampfs ist, welche Prozessparameter der Aufwertedampf aufweist. Hier ist grundsätzlich der zur Verfügung stehende Massenstrom des Aufwertedampfs von größerer Bedeutung. Mithin kann der Aufwertedampf in diesem Fall auch problemlos eine Temperatur und einen Druck aufweisen, die geringer sind als die Temperatur und der Druck des Geothermiedampfs. Die Ausgestaltung des Turboladers erlaubt eine zweckdienliche Aufwertung des Geothermiedampfs hinsichtlich des Drucks und der Temperatur in dem Turbokompressor des Turboladers. Der Turbokompressor wird über den Aufwertedampf und die Turbine angetrieben, wobei die Turbine und der Turbokompressor über eine Welle und bedarfsweise ein Getriebe gekoppelt sind. Im Turbokompressor wird der Geothermiedampf verdichtet und durch die dabei erzeugte Wärme zudem aufgeheizt.
Der Aufwertedampf muss beim Durchtritt durch die Turbine nicht zwingend vollständig entspannt werden. Wird der Aufwertedampf in der Turbine nur teilweise entspannt, kann es sich zur Steigerung der Effizienz anbieten, wenn der teilweise entspannte Aufwertedampf nach dem Austritt aus der Turbine mit dem Geothermiedampf vermischt, insbesondere zum Antrieb eines Dampfstrahlverdichters genutzt wird. Dies ist insbesondere dann interessant, wenn der Dampfstrahlverdichter zum weiteren Aufheizen und Verdichten des Geothermiedampfs nach dem Austritt aus dem Verdichter eingesetzt wird. Dabei kann es sich bei dem Verdichter bevorzugt um einen Turbokompressor eines Turboladers handeln. Zwingend erforderlich ist dies aber nicht.
Es kann auch vorgesehen sein, dass der Aufwertedampf in einer Turbine, etwa eines Turboladers, soweit entspannt wird, dass der Aufwertedampf nach dem Austritt aus der Turbine wenigstens im Wesentlichen auf einem Druckniveau anfällt, der dem im Turbokompressor verdichteten Geothermiedampf entspricht. Dann können der teilweise entspannte Aufwertedampf und der verdichtete Geothermiedampf gemischt werden, um den anfallenden Aufwertedampf effizient zu nutzen. Ein Dampfstrahlverdichter ist dann nicht erforderlich. Es reicht hierfür eine einfache Mischkammer aus. Zudem können sich auch die Temperaturniveaus des verdichteten Geothermiedampfs und des teilweise entspannten Aufwertedampf einander wenigstens im Wesentlichen entsprechen. Erforderlich ist dies jedoch nicht. Vorteilhaft wäre es regelmäßig, wenn der Aufwertedampf vor dem Mischen mit dem verdichteten Geothermiedampf deutlich wärmer wäre als der verdichtete Geothermiedampf. Dann würde nicht nur der Druck des Aufwertedampfs, sondern auch dessen Temperatur besonders zweckmäßig genutzt. Ein Mischen von teilweise entspanntem Aufwertedampf und verdichtetem Geothermiedampf wäre aber auch dann möglich, wenn der Aufwertedampf vor dem Mischen eine geringere Temperatur aufweisen sollte als der verdichtete Geothermiedampf. In jedem Fall können der den Turbokompressor verlassende, verdichtete Geothermiedampf und der die Turbine verlassende Aufwertedampf zur Bildung des Prozessdampfs gemischt werden. Dies erlaubt es den teilentspannten Aufwertedampf zum Betrieb des sich anschließenden, insbesondere verfahrenstechnischen, Prozesses zu nutzen.
Das Thermalfluid kann etwa durch das unterirdische Erhitzen in der geothermalen Wärmequelle mit entsprechenden Verunreinigungen belastet sein. Dann kann es zweckdienlich sein, wenn das Thermalfluid die geothermale Wärme zunächst über einen indirekten Wärmetausch an Wasser oder ein anderes Medium abgibt, das dann den weiteren Transport der geothermalen Wärme in Richtung des verfahrenstechnischen Prozesses übernimmt. In einem solchen Fall kann es weiter zweckmäßig sein, wenn das Thermalfluid kein Wasser, sondern ein anderes Wärmeträgermedium ist. Das Thermalfluid muss dann nicht unter Erzeugung von beispielsweise Wasserdampf verdampft werden, so dass bei der Wahl des Thermalfluids hierauf keine Rücksicht genommen werden muss. Gleichwohl kann es aber der Einfachheit halber auch zweckmäßig sein, Wasser als Thermalfluid einzusetzen.
Unabhängig von der Wahl des Thermalfluids ist es besonders einfach und zuverlässig, wenn Wasser durch den indirekten Wärmetausch mit dem Thermalfluid zur Bildung von Geothermiedampf wenigstens teilweise verdampft wird. Bei einer lediglich teilweisen Verdampfung des Wassers zu Geothermiedampf kann es zweckmäßig sein, wenn der Geothermiedampf und das nicht verdampfte Wasser in einen Flashtank geleitet werden, um den Geothermiedampf und das Wasser voneinander zu trennen. Wenn der Druck in dem Flashtank noch nennenswert entspannt wird, kann wenigstens ein Teil des Wassers zu Geothermiedampf verdampft werden. Der entsprechend gewonnene Wasserdampf kann dann als Geothermiedampf zur Aufwertung durch den Aufwertedampf bei gleichzeitiger Druck- und Temperaturerhöhung verwendet werden.
Der Aufwertedampf kann aus wirtschaftlichen Erwägungen durch Verbrennung von fossilen Brennstoffen etwa in einem Kessel gewonnen werden. Zur Steigerung des Gesamtwirkungsgrads und aus ökologischen Gesichtspunkten kann es aber auch bevorzugt sein, wenn zur Erzeugung des Aufwertedampfs als wenigstens teilweiser Ersatz für fossile Brennstoffe Biomasse, Biogas und/oder Reststoffe eingesetzt werden, wobei es sich bei den Reststoffen bedarfsweise auch um solche aus Biomasse handeln kann. Dies ist insbesondere dann der Fall, wenn die Biomasse, das Biogas und/oder die Reststoffe in der zu beheizenden verfahrenstechnischen Anlage, insbesondere bei dem, insbesondere verfahrenstechnischen, Prozess, für den der Prozessdampf bereitgestellt wird, anfällt und/oder erzeugt wird. Es kann zur Erzeugung des Aufwertedampfs aber auch gänzlich auf das Verbrennen von fossilen Brennstoffen, Biomasse, Biogas oder Restoffen verzichtet werden. Unter Biogas kann hier auch synthetisch, insbesondere regenerativ, hergestellter Wasserstoff und Methan verstanden werden. Entsprechende, alternative Verfahren sind dem Fachmann bekannt und im Stand der Technik hinlänglich beschrieben.
Das Verfahren lässt sich besonders effizient einsetzen, wenn das aufgeheizte Thermalfluid mit einer Temperatur von wenigstens 60 °C, wenigstens 80 °C, insbesondere wenigstens 100 °C, zur Bereitstellung eines Geothermiedampfs genutzt wird. Dann ist nur noch eine moderate Aufwertung des Geothermiedampfs erforderlich. Des Weiteren kann es alternativ oder zusätzlich zur Steigerung der Effizienz beitragen, wenn das aufgeheizte Thermalfluid mit einer Temperatur von höchstens 220 °C, vorzugsweise höchstens 180 °C, insbesondere höchstens 140 °C, zur Bereitstellung eines Geothermiedampfs genutzt wird. Ansonsten ist in den meisten Fällen nur noch eine geringfügige Aufwertung erforderlich, die den verfahrenstechnischen und den apparativen Aufwand nur noch teilweise rechtfertigen kann.
Aus denselben Gründen kann es alternativ oder zusätzlich bevorzugt sein, wenn der Geothermiedampf vor der Aufwertung unter Verwendung des Aufwertedampfs nicht zu kalt und/oder nicht zu heiß ist. Hierbei wird hohe Effizienz erzielt, wenn der Geothermiedampf vor der Aufwertung eine Temperatur von wenigstens 60 °C, wenigstens 80 °C, insbesondere wenigstens 100 °C, aufweist. Es kann aber auch vorgesehen sein, dass der Geothermiedampf vor der Aufwertung eine Temperatur von höchstens 220 °C, vorzugsweise höchstens 180 °C, insbesondere höchstens 140 °C, aufweist.
Die Wärme des Thermalfluids kann einfach und effizient genutzt werden, wenn bei der Aufwertung der Geothermiedampf um wenigstens 20 °C, vorzugsweise wenigstens 50 °C, insbesondere wenigstens 100 °C, aufgeheizt wird. Gleiches gilt aber alternativ oder zusätzlich auch für den Fall, dass bei der Aufwertung der Geothermiedampf um wenigstens 1 bar, vorzugsweise wenigstens 2 bar, insbesondere wenigstens 3 bar, verdichtet wird.
Bei einer ersten besonders bevorzugten Ausgestaltung der verfahrenstechnischen Anlage stellt die Quelle für Aufwertedampf eine solche Quelle dar, die zur Bereitstellung von Aufwertedampf mit einem größeren Druck und einer höheren Temperatur als der Druck und die Temperatur des Geothermiedampfs ausgebildet ist. In einem solchen Fall kann die Aufwertung des Geothermiedampfs apparativ und verfahrensmäßig einfach erfolgen, etwa im Wege eines Vermischens des Aufwertedampfs mit dem Geothermiedampf.
Insbesondere in solch einem Fall umfasst die Aufwerteeinrichtung bevorzugt einen Dampfstrahlverdichter, um durch das entsprechende Zusammenführen des Geothermiedampfs und des Aufwertedampfs im Dampfstrahlverdichter einen Prozessdampf mit einer Temperatur und einem Druck oberhalb des Ausgangsdrucks des Geothermiedampfs bereitzustellen. Dies ist einfach umzusetzen und effizient durchzuführen. Zwingend ist dies aber weder in dem zuvor genannten Fall noch in einem anderen als dem genannten Fall.
Alternativ oder zusätzlich umfasst die Aufwerteeinrichtung einen, eine durch den Aufwertedampf angetriebene Turbine, aufweisenden Verdichter zum Aufheizen und Verdichten des Geothermiedampfs. Dies lässt sich besonders einfach und zugleich wirtschaftlich bewerkstelligen, wenn der Verdichter ein Thermokompressor eines Turboladers ist. Der Aufwertedampf kann dann eine Turbine des Turboladers antreiben, die den Thermokompressor des Turboladers zum Verdichten des Geothermiedampfs antreibt. Bei der Verdichtung des Geothermiedampfs in dem Thermokompressor entsteht so viel Wärme, dass der Geothermiedampf beim Verdichten gleichzeitig auch aufgeheizt wird.
Zur weiteren energetischen Optimierung kann eine Verbindungsleitung zum Einleiten des die Turbine verlassenden teilweise entspannten Aufwertedampfs in einen Dampfstrahlverdichter bereitgestellt werden. Dabei dient der Dampfstrahlverdichter dem weiteren Aufheizen und Verdichten des in dem Turbokompressor bereits teilweise aufgeheizten und verdichteten Geothermiedampfs. Auch wenn hier die Verwendung eines Dampfstahlverdichters zum Vermischen von teilentspanntem Aufwertedampf und teilkomprimierten Geothermiedampf bevorzugt ist, könnte dieses Vermischen auch in einer anderen Mischkammer als in einem Dampfstahlverdichter erfolgen.
Um unnötige Kontaminationen durch das Thermalfluid zu vermeiden und zudem den Wartungsaufwand gering halten zu können, kann es sich anbieten, wenn das Thermalfluid in einem Thermalkreislauf geführt wird. Der Thermalkreislauf weist dabei einen indirekten Wärmeübertrager auf, um die Wärme des Thermalfluids auf Wasser oder ein anderes Medium zu übertragen.
Wenn das Thermalfluid heißer als 100 °C und zudem wenigstens teilweise flüssig ist, kann das Thermalfluid zur Dampferzeugung in einen Flashtank geleitet werden. Handelt es sich bei dem Thermalfluid um Wasser, kann dem dabei nicht verdampften Teil des Thermalfluids Wasser zugesetzt werden, bevor das Thermalfluid erneut zur unterirdischen Aufheizung durch geothermale Wärme genutzt wird. Es kann aber auch zunächst die geothermale Wärme vom Thermalfluid des Thermalkreislaufs in einem indirekt beheizten Verdampfer auf Wasser übertragen werden, um das Wasser im Verdampfer zu verdampfen. Dabei spielt es grundsätzlich keine Rolle, ob als Thermalfluid bereits Wasser verwendet wird. Es bietet sich zudem aus energetischer und konstruktiver Sicht grundsätzlich an, wenn der zuvor genannte Wärmetauscher des Thermalkreislaufs einen Teil des Verdampfers zum wenigstens teilweisen Verdampfen des Wassers und Bereitstellen des Geothermiedampfs darstellt.
Zur einfachen und wirtschaftlichen Erzeugung von Aufwertedampf und/oder Geothermiedampf kann ein mit fossilen Brennstoffen, Biogas und/oder Biomasse befeuerter Verdampfer genutzt werden, wenn Aufwertedampf nicht ohnehin bereitsteht. Grundsätzlich sind aber auch alle anderen Verfahren und Anlagen zur Dampferzeugung oder zur Bereitstellung von Aufwertedampf und/oder Geothermiedampf denkbar.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand einer lediglich Ausführungsbeispiele darstellenden Zeichnung näher erläutert. In der Zeichnung zeigt

1 eine erfindungsgemäße verfahrenstechnische Anlage zur Nutzung von geothermaler Wärme in einer schematischen Darstellung,
2 ein erstes erfindungsgemäßes Verfahren zur Nutzung von geothermale Wärme in einer schematischen Darstellung,
3 ein zweites erfindungsgemäßes Verfahren zur Nutzung von geothermale Wärme in einer schematischen Darstellung und
4 ein drittes erfindungsgemäßes Verfahren zur Nutzung von geothermale Wärme in einer schematischen Darstellung.

In der 1 ist eine verfahrenstechnische Anlage 1 zur Papierherstellung dargestellt, wobei in dieser verfahrenstechnischen Anlage 1 ein Prozessdampf genutzt wird, welcher unter Verwendung von geothermaler Wärme erzeugt worden ist. Zur Nutzung der geothermalen Wärme ist eine Geothermiestation 2 vorgesehen, in der ein Thermalfluid 3, bei dem es sich der Einfachheit halber um Wasser handeln kann, in den Erdboden gepumpt wird, um das Thermalfluid 3 dort mittels einer geothermischen Wärmequelle aufzuheizen. Das so aufgeheizte Thermalfluid 3 wird wieder an die Erdoberfläche 4 gefördert und dort an einen Verdampfer 5 abgegeben, in dem aus dem Thermalfluid 3 ein Geothermiedampf 6 erzeugt wird, der sodann in die Papierproduktion 7 abgegeben wird. Bei der Papierherstellung in der Papierproduktion 7 fällt Abwasser an, das in einer Abwasseraufbereitung 8 unter Abgabe von Biogas 9 aufbereitet wird. Für das Erzeugen von Biogas 9 könnte bedarfsweise auch Biomasse genutzt werden, die an anderen Stellen im Gesamtprozess anfällt. Das Biogas 9 wird an eine Kraft-Wärme-Kopplungsanlage 10 abgegeben und dort zusammen mit Erdgas 11 zur Bildung von Aufwertedampf 12 verbrannt. Ferner ist noch eine Biomasse-Verstromungsanlage 13 vorgesehen, die aus Biomasse 14 einerseits Strom 15 aber auch Aufwertedampf 16 erzeugt. Bedarfsweise könnte auch auf die Biomasse-Verstromungsanlage 13 oder die Kraft-Wärme-Kopplungsanlage 10 verzichtet werden. Es könnte aber auch eine gänzlich andere Quelle für Aufwertedampf 12,16 genutzt werden. Der Aufwertedampf 12,16 weist aber unabhängig von seiner Herstellung einen Druck auf, der größer ist als der Druck des Geothermiedampfs 6. Zudem ist die Temperatur des Aufwertedampfs 12,16 größer als die Temperatur des Geothermiedampfs 6.
In der Papierproduktion 7 wird aus dem Aufwertedampf 12,16 und dem Geothermiedampf 6 ein Prozessdampf erzeugt, der dann zur Papierherstellung, insbesondere zu Beheizung bestimmter Prozesse bei der Papierherstellung, genutzt wird. Hierzu kommen unterschiedliche Verfahren in Frage, von denen lediglich beispielhaft drei verschiedene Verfahren in den 2 bis 4 dargestellt sind und nachfolgend beschrieben werden.
In der 2 ist ein Verfahren dargestellt, bei dem ein Thermalfluid 3 in einer nicht dargestellten, unterirdischen geothermalen Wärmequelle auf einer Temperatur von größer 100 °C aufgeheizt wird. Nachdem das aufgeheizte Thermalfluid 3 wieder an die Erdoberfläche 4 gefördert worden ist, wird die Wärme des Thermalfluids 3 in einem Verdampfer 5 zur Verdampfung von Wasser 17 genutzt, das anschließend als Geothermiedampf 6 an einen Dampfstrahlverdichter 18 abgegeben wird. Der Dampfstrahlverdichter 18 wird mit dem Aufwertedampf 12,16 betrieben, der in dem Dampfstahlverdichter 18 durch teilweises Entspannen über eine Drossel 19 beschleunigt wird, so dass nach der Drossel 19 der Geothermiedampf 6 in einer Mischkammer 20 gesogen und dort mit dem Aufwertedampf 12,16 vermischt wird. Sodann wird der Dampf über einen Diffusor 21 geleitet und so wieder angebremst, so dass ein Prozessdampf 22 mit einem Druck und einer Temperatur entsteht, die jeweils größer sind als der Druck und die Temperatur des Geothermiedampfs 6 sind. Mithin hat der Geothermiedampf 6 durch Einsatz des Aufwertedampfs 12,16 eine Aufwertung hinsichtlich des Drucks und der Temperatur erfahren und kann sodann effizient als Prozessdampf 22 in der Papierproduktion 7 zur Papierherstellung eingesetzt werden.
Alternativ zu dem in der 2 dargestellten Verfahren könnte beispielsweise auf das Thermalfluid in einem Flashtank entspannt werden und der dabei anfallende Dampf als Geothermiedampf an den Dampfstrahlverdichter abgegeben werden. Eine vorherige Übertragung der geothermalen Wärme von dem Thermalfluid an das Wasser könnte dann entfallen.
In der 3 ist ein Verfahren dargestellt, bei dem ein Thermalfluid 3 in einer nicht dargestellten, unterirdischen geothermalen Wärmequelle auf einer Temperatur von weniger als 100 °C aufgeheizt wird. Nachdem das aufgeheizte Thermalfluid 3 wieder an die Erdoberfläche 4 gefördert worden ist, erfolgt in einem Wärmetauscher 23 ein indirekter Wärmetausch mit Wasser 17, um die geothermale Wärme auf diesem Weg an das Wasser 17 abzugeben. Das Wasser 17 wird dann in einem Verdampfer 5 eines mit einem fossilen und/oder regenerativen Brennstoff 24 befeuerten Kessels 25 verdampft. Es wäre aber auch ein auf eine andere Art betriebener Verdampfer 5 denkbar. Den Verdampfer 5 verlässt im dargestellten und insoweit bevorzugten Ausfügungsbeispiel der Geothermiedampf 6, der an einen Dampfstrahlverdichter 18 abgegeben und dort wie zuvor beschreiben mittels eines den Dampfstrahlverdichter 18 antreibenden Aufwertedampf 12,16 durch gleichzeitige Temperatur- und Druckerhöhung aufgewertet wird.
Auch alternativ zu dem in der 3 dargestellten Verfahren könnte beispielsweise auf das Thermalfluid 3 in einem Flashtank entspannt werden und der dabei anfallende Dampf als Geothermiedampf 6 an den Dampfstrahlverdichter 18 abgegeben werden. Eine vorherige Übertragung der geothermalen Wärme von dem Thermalfluid 3 an das Wasser 17 könnte dann entfallen. Es könnte aber auch vorgesehen sein, das Thermalfluid 3 in einem Verdampfer 5 durch Einsatz zusätzlicher Wärme zu verdampfen. Der so entstehende Dampf könnte dann direkt als Geothermiedampf 6 an den Dampfstahlverdichter 18 abgegeben werden oder zum Verdampfen von Wasser 17 genutzt werden. Im letztgenannten Fall wird der so gebildete Wasserdampf als Geothermiedampf 6 an den Dampfstrahlverdichter 18 abgegeben.
In der 4 ist ein Verfahren dargestellt, bei dem ein Thermalfluid 3 in einer nicht dargestellten, unterirdischen geothermalen Wärmequelle auf einer Temperatur von größer 100 °C aufgeheizt wird. Nachdem das aufgeheizte Thermalfluid 3 wieder an die Erdoberfläche 4 gefördert worden ist, wird die Wärme des Thermalfluids 3 in einem Verdampfer 5 zur Verdampfung von Wasser 17 genutzt, das anschließend als Geothermiedampf 6 an einen Turbolader 26 abgegeben wird. Dabei muss das Thermalfluid nicht zwangsweise im Kreis geführt werden. Das Thermalfluid kann auch an einer Stelle dem Erdboden entzogen und an anderer Stelle wieder in den Erdboden injiziert werden. Insbesondere wenn das Thermalfluid als natürlich vorkommendes Untergrundwasser durch den Erdboden strömt, wird nicht immer wieder dasselbe Thermalfluid verwendet, sondern bedarfsweise immer anderes Thermalfluid derselben Quelle.
Der Turbolader 26 weist dabei eine Turbine 27 auf, die über eine Welle 28 mit einem Turbokompressor 29 verbunden ist. Die Turbine 27 wird mit Aufwertedampf 12,16 beaufschlagt, der in der Turbine 27 teilweise entspannt wird und die Welle 28 antreibt. Über die Welle 28 wird dann der Turbokompressor 29 angetrieben, der den Geothermiedampf 6 verdichtet und dabei gleichzeitig aufheizt. Anschließend wird der verdichtete Geothermiedampf 6 in dem dargestellten und insoweit bevorzugten Ausführungsbeispiel mit dem teilentspannten Aufwertedampf 12,16 in einer Mischkammer 30 vermischt, um eine weitere Aufwertung bei gleichzeitiger Anhebung von Druck und Temperatur zusätzlich zu der Aufwertung des Geothermiedampfs 6 bei gleichzeitiger Anhebung von Druck und Temperatur in dem Turbolader 26 bereitzustellen. Dazu ist die Turbine 27 über eine Verbindungsleitung 31 mit der Mischkammer 30 verbunden. Dabei kann es sich bei der Mischkammer 30 bevorzugt um eine Mischkammer eines Dampfstahlverdichters handeln. Ein nachträgliches Vermischen von verdichtetem Geothermiedampf 6 und teilentspanntem Aufwertedampf 12,16 zur Bildung des Prozessdampfs 22 kann sich insbesondere dann anbieten, wenn der Aufwertedampf 12,16 einen viel höheren Druck als der Geothermiedampf 6 aufweist. Der Aufwertedampf 12,16 weist nämlich bevorzugt nach der Teilentspannung in der Turbine 27 des Turboladers 26 noch einen Druck auf, der größer ist als der Druck des verdichteten Geothermiedampfs 6 nach dem Verlassen des Turbokompressors 29. Dies ist aber nicht zwingend der Fall.
Es kann alternativ auch vorgesehen sein, dass der Aufwertedampf 12,16 in der Turbine 27 des Turboladers 26 gerade soweit entspannt wird, dass der somit teilentspannte Aufwertedampf 12,16 nach dem Verlassen der Turbine 27 ein Druckniveau aufweist, das wenigstens im Wesentlichen dem Druckniveau des den Turbokompressor 29 verlassenden, komprimierten Geothermiedampfs 6 entspricht. Dann können der teilentspannte Aufwertedampf 12,16 und der Geothermiedampf 6 ohne einen Dampfstrahlverdichter, bedarfsweise in einer sehr einfachen Mischkammer 30, gemischt werden. Der teilentspannte Aufwertedampf 12,16 und der aufgewertete Geothermiedampf 6 können dann gemeinsam in dem sich anschließenden, insbesondere verfahrenstechnischen, Prozess als Prozessdampf 22 genutzt werden.
Auch alternativ zu dem in der 4 dargestellten Verfahren könnte beispielsweise auf das Thermalfluid 3 in einem Flashtank entspannt werden und der dabei anfallende Dampf als Geothermiedampf 6 an den Turbokompressor 29 des Turboladers 26 abgegeben werden. Eine vorherige Übertragung der geothermalen Wärme von dem Thermalfluid 3 an das Wasser 17 könnte dann entfallen.
Bezugszeichenliste

1: Verfahrenstechnischen Anlage
2: Geothermiestation
3: Thermalfluid
4: Erdoberfläche
5: Verdampfer
6: Geothermiedampf
7: Papierproduktion
8: Wasseraufbereitung
9: Biogas
10: Kraft-Wärme-Kopplungsanlage
11: Erdgas
12: Aufwertedampf
13: Biomasse-Verstromungsanlage
14: Biomasse
15: Strom
16: Aufwertedampf
17: Wasser
18: Mischkammer
19: Drossel
20: Mischkammer
21: Diffusor
22: Prozessdampf
23: Wärmetauscher
24: Brennstoff
25: Kessel
26: Turbolader
27: Turbine
28: Welle
29: Turbokompressor
30: Mischkammer
31: Verbindungsleitung

Claims

Verfahren zur Bereitstellung von Prozessdampf (22) für einen Prozess unter Verwendung geothermaler Wärme, - bei dem die geothermale Wärme eines in einer geothermalen Wärmequelle aufgeheizten Thermalfluids (3) zur Bereitstellung eines Geothermiedampfs (6) genutzt wird, - bei dem ein Aufwertedampf (12,16) zur Aufwertung des Geothermiedampfs (6) genutzt wird und - bei dem bei der Aufwertung der Geothermiedampf (6) gleichzeitig verdichtet und aufgeheizt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, - bei dem der Aufwertedampf (12,16) mit einem größeren Druck und einer höheren Temperatur als der Druck und die Temperatur des Geothermiedampfs (6) zur Aufwertung des Geothermiedampfs (6) genutzt wird und/oder - bei dem der Aufwertedampf und der Geothermiedampf bei der Aufwertung gemischt werden.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, - bei dem der Geothermiedampf (6) durch den Aufwertedampf (12,16) in einem Dampfstrahlverdichter (18) mittels direktem Wärmetausch und/oder mittels eines Verdichters umfassend eine durch den Aufwertedampf (12,16) angetriebene Turbine (27) aufgeheizt und verdichtet wird und - bei dem, vorzugsweise, als Verdichter ein von der Turbine (27) angetriebener Turbokompressor (29) eines Turboladers (26) verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 3, bei dem der teilweise entspannte Aufwertedampf (12,16) nach dem Austritt aus der Turbine (17) zum Antrieb eines Dampfstrahlverdichters (18) zum weiteren Aufheizen und Verdichten des Geothermiedampfs (6) nach dem Austritt aus dem Verdichter genutzt wird.
Verfahren nach Anspruch 3, bei dem der teilweise entspannte Aufwertedampf (12,16) nach dem Austritt aus der Turbine (17) und der aufgewertete Geothermiedampf (6) nach dem Austritt aus dem Turbokompressor (29) in einer Mischkammer (30) gemischt werden und bei dem, vorzugsweise, der teilweise entspannte Aufwertedampf (12,16) und der aufgewertete Geothermiedampf (6) vor dem Mischen in der Mischkammer (30) wenigstens im Wesentlichen denselben Druck aufweisen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem das Thermalfluid (3) über indirekten Wärmetausch geothermale Wärme an Wasser abgibt und bei dem, vorzugsweise, das Wasser (17) durch den indirekten Wärmetausch mit dem Thermalfluid (3) zur Bildung von Geothermiedampf (6) wenigstens teilweise verdampft wird.
Verfahren nach Anspruch 6, bei dem das Thermalfluid (3) oder das durch die geothermale Wärme aufgeheizte und/oder teilweise verdampfte Wasser (17) in einem Verdampfer (5), insbesondere vollständig, zur Bildung von Geothermiedampf (6) verdampft wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, bei dem der Aufwertedampf (12,16) durch Verbrennung von fossilen Brennstoffen (24), Biogas, Biomasse (9,14) und/oder Reststoffen erzeugt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, bei dem das aufgeheizte Thermalfluid (3) mit einer Temperatur von wenigstens 60 °C, wenigstens 80 °C, insbesondere wenigstens 100 °C, und/oder von höchstens 220 °C, vorzugsweise höchstens 180 °C, insbesondere höchstens 140 °C, zur Bereitstellung eines Geothermiedampfs (6) genutzt wird und/oder bei dem der Geothermiedampf (6) vor der Aufwertung eine Temperatur von wenigstens 60 °C, wenigstens 80 °C, insbesondere wenigstens 100 °C, und/oder von höchstens 220 °C, vorzugsweise höchstens 180 °C, insbesondere höchstens 140 °C, aufweist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, bei dem bei der Aufwertung der Geothermiedampf (6) um wenigstens 20 °C, vorzugsweise wenigstens 50 °C, insbesondere wenigstens 100 °C, aufgeheizt wird und/oder bei dem bei der Aufwertung der Geothermiedampf (6) um wenigstens 1 bar, vorzugsweise wenigstens 2 bar, insbesondere wenigstens 3 bar, verdichtet wird.
Verfahrenstechnische Anlage (1) zur Nutzung von Prozessdampf (22) bereitgestellt unter Verwendung geothermaler Wärme nach einem der Ansprüche 1 bis 10, mit einer Geothermiestation (2) zum Aufheizen eines Thermalfluids (3) durch geothermale Wärme in einer unterirdischen, geothermalen Wärmequelle und zum Bereitstellen eins Geothermiedampfs (6) unter Nutzung der geothermalen Wärme des Thermalfluids (3), mit einer Quelle für Aufwertedampf (12,16) und einer Aufwerteeinrichtung zum gleichzeitigen Verdichten und Aufheizen des Geothermiedampfs (6) durch den Aufwertedampf (12,16).
Verfahrenstechnische Anlage nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Quelle für den Aufwertedampf (12,16) eine Quelle zur Bereitstellung von Aufwertedampf mit einem größeren Druck und einer höheren Temperatur als der Druck und die Temperatur des Geothermiedampfs (6) ist und/oder dass die Aufwerteeinrichtung einen Dampfstrahlverdichter (18) und/oder einen eine durch den Aufwertedampf (12,16) angetriebene Turbine (27) aufweisenden Verdichter zum Aufheizen und Verdichten des Geothermiedampfs (6) umfasst und, vorzugsweise, dass der Verdichter ein von der Turbine (27) angetriebener Turbokompressor (29) eines Turboladers (26) ist.
Verfahrenstechnische Anlage nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass eine Verbindungsleitung (31) zum Einleiten des die Turbine (27) verlassenden teilweise entspannten Aufwertedampfs (12,16) in einen Dampfstrahlverdichter (18) zum weiteren Aufheizen und Verdichten des in dem Turbokompressor (29) aufgeheizten und verdichteten Geothermiedampfs (6) vorgesehen ist.
Verfahrenstechnische Anlage nach Anspruch 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass ein das Thermalfluid (3) und einen indirekten Wärmetauscher umfassender Thermalkreislauf zum Übertragen geothermaler Wärme auf Wasser (17) vorgesehen ist und/oder dass ein Verdampfer (5) zum Bereitstellen des Geothermiedampfs (6), insbesondere aus dem mittels geothermaler Wärme aufgeheizten Wasser (17), vorgesehen ist.
Verfahrenstechnische Anlage nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmetauscher (23) Teil des Verdampfers (5) zum wenigstens teilweisen Verdampfen des Wassers (17) und Bereitstellen des Geothermiedampfs (6) ist.
Verfahrenstechnische Anlage nach einem der Ansprüche 11 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass ein mit fossilen Brennstoffen (24) und/oder Biomasse (9,14) befeuerter Verdampfer (5) zum Bereitstellen des Geothermiedampfs (6) und/oder des Aufwertedampfs (12,16) vorgesehen ist.