Einrichtung und Verfahren zur Stromerzeugung aus Wärme

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung sowie ein Verfahren zur Stromerzeugung aus Wärme, mit einem Generator und einer die Dynamik eines bewegten Mediums aufnehmenden Turbine, gemäß Oberbegriff des Patentanspruches 1 und 15.

Bei der Erzeugung elektrischer Energie aus der Dynamik eines bewegten Mediums ist das die Dynamik des Mediums aufnehmende Turbinenrad oftmals über ein Getriebe mit dem Stromgenerator verbunden. Dies gilt sowohl bei langsam laufenden Turbinenrädern wie bspw auch bei der Windenergieaufnahme, aber auch in Dampfkraftwerken. Dort werden gleichermaßen Getriebe zur Bewegungskopplung eingesetzt. Diese sollen zu einer Vergleichmäßigung zwischen Turbinendrehzahl und Generatordrehzahl durch entsprechende Untersetzung oder übersetzung führen.

Es ist bereits bekannt, bei einer Turbine-Generator- Kopplung im Falle einer Gasturbine auf ein dazwischen angeordnetes Getriebe zu verzichten. Eine solche Einrichtung ist aus der EP 1 367 690 Bl für einen speziellen Anwendungsfall bekannt.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Einrichtung der gattungsgemäßen Art dahingehend

weiterzuentwickeln, dass die Kopplung zwischen Turbine und Generator frei von genannten mechanischen Nachteilen ist, und die Energieaufnahme und letztlich die Energieumwandlung aus dem Medium effektiver nutzbar ist.

Die gestellte Aufgabe ist bei einer Einrichtung der gattungsgemäßen Art erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruches 1 gelöst .

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den abhängigen Ansprüchen 2-14 angegeben.

Hinsichtlich eines Verfahrens ist die gestellte Aufgabe erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruches 15 gelöst.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den übrogen abhängigen Ansprüchen angegeben.

Kern der Erfindung ist, dass die Turbine und der

Generator auf einer gemeinsamen und gemeinsam gelagterten Achse angeordnet sind. Dies ist ein erheblicher funktioneller Unterschied zum Gegenstand der genannten EP 1 367 690 Bl aus der lediglich bekannt ist, die Achsen drehfest und damit Getriebefrei miteinander zu koppeln. Dies jedoch führt im Stand der Technik dazu, dass jedes Bauteil, nämlich Generator und Turbine jeweils eine für sich separat gelagterte Achse aufweisen, die lediglcih miteinanander gekoppelt werden. Da jede Achse aber dabei aber für sich selbst gelagtert ist, führt dies zu einer mechanischen überbeStimmung der Lager- oder Auflagepunkte. Somit wäre ein absoluter unwuchtfreier Gleichlauf nur dann erreichbar, wenn die Verbindung der Turbineachse und der Generatorachse rotatorisch zwar drehfest, axial aber ausgleichend wäre, d.h. axiale

Umwuchten ausgleichen würde. Damit wäre die Verbindung zwar getriebefrei, aber dieser Achsausgleich wäre dem Verschleiß unterworfen und schluckt ausserdem auch Reibungsenergie .

Alle diese Nachteile werden beseitigt, durch die erfindungsgemäße Bauform, bei welcher die Turbine und der Generator auf einer gemeinsamen und gemeinsam gelagterten Achse angeordnet sind. Achsausgleiche entfallen vollständig und erst hierbei findet ein absoluter ruhiger Gleichlauf statt.

In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung ist angegeben, dass die Turbine eine radiale Zentripetal-Turbine ist, welche seitlich zur Rotationsachse mit dem Medium angeströmt und das Medium in axialer Richtung zentral aus der Turbine abströmbar ist. Dies ist baulich insbesondere für kompakte Anlagen von erheblichem Vorteil. Ein weiterer Vorteil liegt dabei im optimalen Wirkungsgrad einer solchen Turbinenradkonstruktion, die mit gebogenen seitlich anzuströmenden Schaufeln versehen ist.

In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung ist angegeben, dass der Generator ein bürstenloser, vorzugsweise ein Generator mit Permanentmagneten ist. Dabei sind die Reibungswiderstände deutlich geringer als bei einem Generator mit Bürsten.

Vorteilhaft ist auch eine Ausgestaltung, bei welcher die Achse mit Magnet- oder Luftlagern gelagert ist. Dies führt zu einer weiteren Reduktion der Reibungswiderstände, was die Effizienz der Energieumwandlung wiederum erhöht. Luftlager sind Abschnitte auf Lagerwellen, die oberflächenstrukturiert sind. Dadurch kommt es bei höheren Drehzahlen zu einem

Luftpolster, auf dem die Lagerwelle bzw die gelagerte Welle dann läuft.

Alle diese bereits erzielten Vorteile korrespondieren besonders gut mit einer Ausgestaltung bei welcher die erfindungsgemäße Turbine-Generator-Anordnung in einer Niedertemperatur-ORC-Anlage integriert ist. Hier ist die kompakte und extrem laufruhige Turbine-Generator- Anordnung, sowie die Maßnahmen zur Reduktion von Reibungsverlusten besonders effektiv.

In vorteilhafter Ausgestaltung ist angegeben, dass die Niedertemperatur-ORC-Anlage (Organic-Rankine-Cycle) außerdem mindestens eine Verdampferstufe, mindestens eine Kondensationsstufe, sowie ein Pumpe zur Rückführung des kondensierten Mediums von der Kondensatorstufe zur Verdampferstufe aufweist. Damit sind alle Komponenten in einem geschlossenen Kreislauf eingebunden, insbesondere die Turbine-Generator-Anordnung arbeitet dabei optimiert.

Eine besondere Ausgestaltung ist dabei, dass die Pumpe ebenfalls auf der gemeinsamen und/oder gemeinsam gelagterten Achse zusammen mit dem Generator und der Turbine angeordnet ist. Dabei kann die ORC-Anlage extrem kompakt gebaut werden. Zur baulichen Realisierung müssen lediglich die Leitungsführungen entsprechend vorgenommen werden, was aber völlig problemlos ist. Durch die Mitanordnung der Rückführpumpe für das umlaufende Medium auf derselben Achse wie Turbine und Generator, entfallen somit Konvertierungsverluste ansonsten vorhandener elektrischer Baugruppen. Die Pumpe wird mechanisch direkt an die Kraftaufnahme der angeströmten Turbine genommen. Insgesamt steigt dadurch der gesamte Wirkungsgrad, was in der Energiebilanz deutlich erkennbar ist.

In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung ist angegeben, dass als Medium niedertemperturverdampfende fluorierte Kohlenwasserstoffe eingesetzt werden. Diese Medien verdampfen bei Raumtemperatur oder bereits darunter. Bei einem Betrieb der Anlage bei einer Verdampfungstemperatur deutlich über Raumtemperatur arbeitet diese mit guten Druckwerten um eine effektive Anströmung der Turbine zu erzeugen.

Ein besonders vorteilhafter Stoff zum Einsatz als Medium ist 1, 1, 1,33-Pentafluor-Propan.

Eine ebenso brauchbare Alternative stellt Butan als Medium dar .

Um nun die ORC-Anlage in optimalem ökologischen Prinzip zu betreiben, d.h. mit alternativen Energiequellen zur Beheizung des Verdampfers, ist in einer Ausgestaltung der Verdampfer über einen Wärmetauscher beheizbar, welcher aus einem Wärmeträger (Wasser oder Thermo-öl) aus

Sonnenkollektoren betreibbar ist. Anlagen dieser Art haben damit sogar einen enormen Nutzwert für private Anwendungen in Wohnhäusern. So kann die Sonnenwärme herkömmlicher Sonnenkollektoren die Wärme zumindest teilweise verströmen, und den Strom ins Stromnetz einspeisen. Eine erfindungsgemäße Einrichtung gemäß dieser Ausgestaltung hat einen sehr guten Wirkungsgrad. Als ggfs kombinierte Einrichtung in Bezug auf wahleise oder kombinierte Wärme- und Stromerzeugung ist sie mit Halbleiter-Solarzellenanlagen konkurrenzfähig.

Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung besteht darin, dass Verdampfer über einen Wärmetauscher beheizbar ist, welcher wiederum aus Abwärme beheizbar ist. So kann die besagte Einrichtung auch dort genutzt und eingesetzt

werden, wo Energie in Form von Abwärme anfällt, die sodann über diese ORC-technologische Ausgestaltung verströmt wird.

In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung ist angegeben, dass Verdampfer sowie der Sonnenkollektor oder die Sonnenkollektoren einen gemeinsamen geschlossenen Medienkreislauf aufweisen, derart, dass das Verdampfermedium ohne Wärmetauscher direkt in den Rohren der Sonnenkollektoren aufheizbar sind. Hierdurch bedarf es keines Wärmetauschers mehr, weil in den Rohren der Sonnenkollektoren kein Wasser mehr, sondern bereits das Verdampfer-Medium fließt und die Temperatur direkt aufnimmt. Dabei ist darauf zu achten, dass die Rohre für den anfallenden Druck ausgelegt und dicht sind. Durch das Entfallen des Verdampfer-Wärmetauschers wird der Wirkungsgrad weiter gesteigert, weil die thermischen Energieverluste entfallen.

Eine letzte vorteilhafte Ausgestaltung besteht darin, dass dabei die Kondensatorstufe als Rohrbündel oder als eine Art Kühlkörper mit gefalteter Oberfläche ausgebildet ist, über welche die Wärmeabgabe an die Umgebung, an eine Hausheizung, in ein Fernwärmenetz oder in einen Wärmespeicher abgebbar ist.

Mit anderen Worten erfolgt die Kühlung des Kondensators durch Wärmeaustausch mit der Umgebung, bzw in der oben spezifierten Weise.

Eine Einrichtung dieser Art hat einen erheblichen Nutzen auch in Bezug auf eine klimaschonende Energieerzeugung.

Im Hinblick auf ein Verfahren der gattungsgemäßen Art besteht der Kern der Erfindung darin, dass die Verdampfungstemperatur T2 im Verdampfer im Betrieb

zwischen 50 ⁰ C und 130 ⁰ C liegt und eingestellt wird, und dass nach Durchlaufen des Mediums durch die Turbine eine Abkühlung um mindestens 30 K erfolgt.

In weiterer erfindungsgemäßer Ausgestaltung des

Verfahrens ist angegeben, dass die Verdampfungstemperatur T2 vorzugsweise bei etwa 70 ⁰ C eingestellt wird.

In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung ist eine Temperaturführung angegeben, bei welcher die

Kondensationskühlung im Kondensator über einen Wärmetauscher in etwa auf die Rückführungstemperatur Tl des Mediums zum Verdampfer gekühlt wird, derart, dass die Temperaturunterschiede δT zwischen Rückführungstemperatur Tl und Verdampfertempertur T2 , in beiden Richtungen gleich sind.

In letzter vorteilhafter Ausgestaltung ist angegeben, dass die bei der Kondensationskühlung entstehende Abwärme als Heizenergie genutzt oder auf dem erhaltenen Temperaturniveau separat nachverstromt wird.

Die Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und nachfolgend näher erläutert .

Es zeigt:

Figur 1: Ausführungsbeispiel mit Turbine und Generator auf einer Achse .

Figur 2 : Radiale Zentripetalturbine .

Figur 3: Ausführungsbeispiel mit Turbine,

Generator und Rückführungspumpe auf einer Achse .

Figur 4: Ausführungsbeispiel mit Integration der Verdampferstufe direkt in Sonnenkollektoren.

Figur 1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel, bei welchem das Turbinenrad der Turbine 3 mit dem Generator auf einer physisch gemeinsamen Achse A angeordnet sind. Dabei ist hier zu beachten, dass im Gegensatz zum eingangs beschriebenen Stand der Technik die Turbine und der

Generator nicht jeweils zwei getrennte Achsen aufweisen, die mit einander gekoppelt sind. Denn dies führt zu einer Lagerüberbestimmung und damit zu einer LaufrüheStörung dieser beiden Komponenten. Erfindungsgemäß ist die verlängerte Achse A des

Generators 4 eins mit der Achse der Turbine 3 bzw des Turbinenrades 11. Damit ist die Einrichtung extrem laufruhig und die Kopplung führt zu einer den Wirkungsgrad der gesamten Einrichtung steigernden technischen Maßnahme. Das Turbinenrad der Turbine 3 wird mit Hilfe des aus dem Verdampfer 1 ausströmenden Verdampfer-Mediums, in diesem Beispiel

1, 1 , 1, 33-Pentafluor-Propan, welches im Verdampfer durch Wärmezufuhr über den Verdampfer-Wärmetauscher 40 auf eine Verdampfungstemperatur Tl gebracht wird und das

Turbinenrad der Turbine 3 anströmt . Das so beströmte Turbinenrad nimmt diese Energie auf und durch die drehfeste Verbindung über die gemeinsame Achse A mit dem Generator 4, bzw den Rotor des Generators 4 wird dieser angetrieben. Der Generator ist dabei z.B. als bürstenloser permanentmagneterregter Generator ausgebildet. Die erzeugte elektrische Energie liegt dann am Ausgang 10 an.

Die Turbine 3 ist als radiale Zentripetal-Turbine mit einem in Figur 2 später noch näher gezeigtem Turbinenrad 11 ausgestattet, in welchem das Medium tangential auf das Turbinerad 11 eingeströmt und durch eine entsprechende Lamellierung dann zentral abgeleitet wird. Das Medium fließt dabei in einen Kondensator 2 der über einen Wärmetauscher 7 das Medium wieder herunterkühlt . Die dabei aufgenommen Wärme kann seinerseits wieder genutzt werden, oder nachverströmt, oder rückgeführt werden.

Das abgekühlte und kondensierte Medium wird dabei auf eine Kondensationstemperatur von T2 heruntergekühlt und über eine Rückführpumpe 5 zurück in den Verdampfer 1 gepumpt. Diesem wird von extern wieder Wärme zugeführt und der Prozess läuft dann weiter. Das heisst das Medium ist hierbei in einem geschlossenen Kreislauf.

Am Wärmetauscher 7 wird bei einer niedrigen Temperatur eine Kühlmittel durch einen Wärmetauscherleitung geführt. Die am Wärmetauscher 7 aufgenommene Wärme wird dabei in der besagten Weise entweder genutzt oder recycliziert .

über ein Steuerventil 6 wird der Kreislauf insgesamt geregelt .

Generator 4 und Turbine 3 können auch in einer Baugruppe 20 gehaust werden.

Eine beispielhafte Temperaturführung läuft je nach Druck und verwendetem Medium so ab, dass Tl, d.h. die

Ausgangstemperatur bei etwa 70 ⁰ C liegt, im Kondensator 2 dann wieder auf T2 , d.h. etwa 40 ⁰ C heruntergekühlt und kondensiert wird, und bei etwa diesem Temperaturniveau von T4=T2 in etwa wieder dem Verdampfer 1 zugeführt wird.

Am Eingang des Wärmetauschers 7 wird ein Kühlmittel bei etwa T3 gleich 10 ⁰ C zugeführt und auf etwa T4 gleich 40 ⁰ C wieder abgeführt.

Figur 2 zeigt im Detail, aber nur schematisch das

Turbinenrad 11. Dieses wird am Rand in etwa tangential vom verdampften Medium angeströmt. Das Medium wird durch die Lamellenführung zum Zentrum des Turbinenrades geleitet und kann dort zentral ausströmen, bevor es danach wie in Figur 1 dem Kondensator zugeführt wird.

Figur 3 zeigt eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung, bei welcher nicht nur Generator 4 und Turbine 3 bzw Turbinenrad 11 und Rotor auf einer gemeinsamen physischen Achse A angeordnet sind, sondern zusätzlich noch die

Rückführpumpe 5. Dies hat nicht nur den Vorteil, dass die Energie für die Rückführpumpe 5 direkt aus der erzeugten mechanischen Energie des Turbinenrades angewendet wird, was den Wirkungsgrad weiter steigert, sondern die Bauform der gesamten Einrichtung wird dadurch noch kompakter.

Dabei kann, wie hier angedeutet, die gesamte Baugruppe Turbine, Generator und Rückführpumpe aufrecht stehend zwischen Verdampfer 1 und Kondensator 2 platziert werden. Durch die kompaktere Bauform werden nur kurze

Medienleitungen notwendig, was Wärmeverluste reduziert und dadurch ebenfalls den Wirkungsgrad nochmals steigert. Ausserdem ergibt sich eine kleinbauende Einrichtung.

Figur 4 zeigt ein Ausführungsbeispiel, bei welchem statt eines separaten Verdampfers 1, dem bodenseitig wie in Figur 1 dargestellt thermische Energie durch den Verdampfer-Wärmetauscher 40 zugeführt werden muss, stattdessen nun der Verdampfer in die Rohre eines Sonnenkollektors 30 sogleich mitintegriert wird.

Die Rohre des Sonnenkollektors müssen dabei nur druckfest verlegt und ausgestaltet sein, so dass die aufgenommene Sonnenenergie das Medium, z.b. das genannte Penta-fluor- Propan sogleich in den Rohren des Sonnenkollektors 30 verdampft wird, und der Dampf dann direkt der Turbine zugeführt wird.

Die weitere Ausgestaltung kann dann wieder gemäß Figur 1 oder Figur 3 ausgebildet sein. In beiden Fällen brauch der Verdampfer 1 nur gegen einen druckfesten Sonnenkollektor 30 ausgetauscht werden.

In allen Ausgestaltungsbeispielen können die Lager der gemeinsamen Achse überdies Magnet- oder Luftlager sein, wass sowohl die Laufruhe erhöht, als auch die Reibungsverluste stark reduziert. Insgesamt erhöht auch dieses Merkmal den im Gesamtprozess erzielbaren Wirkungsgrad.

Die Verwendung von Butan oder Penta-fluor-Propan sind nur beispielhaft. Möglich sind dabei alle Medien mit entsprechend niedrigem Siedepunkt.

Bezugszeichen;

1 Verdampfer 2 Kondensator

3 Turbine

4 Generator

5 Pumpe , Rückführpumpe

6 Steuerventil 7 Wärmetauscher

10 Ausgang elektrischer Energie

11 Turbinenrad

20 Baugruppe

30 Sonnenkollektor

40 Verdampfer-Wärmetauscher

A Achse

Tl Ausgangstemperatur Verdampfer

T2 Rückführungstemperatur zum Verdampfer T3 Eingangstemperatur Wärmetauscher

T4 Ausgangstemperatur Wärmetauscher