Verfahren und Einrichtung zur Energieerzeugung

insbesondere aus Biomasse oder Biomasse -Energieträgern, gemäß Oberbegriff der Patentansprüche 1 und 9.

Bei der Direktverbrennung von Biomasse oder Biomasse - Energieträgern wie Biogas oder Biotreibstoffen wird Wärmeenergie aus nachwachsenden Rohstoffen gewonnen, die in Strom umgewandelt werden kann. Da die

Primärenergieträger in diesem Falle bis auf ihren

Gestehungsprozess als C0 ₂ -neutral gelten, gilt dies auch für den daraus produzierten Strom.

Insbesondere wegen der besagten C0 ₂ -Betrachtung ist es besonders wichtig gerade solche Energie- bzw

Stromerzeugungsprozesse im Wirkungsgrad stets zu

optimieren.

So ist es bekannt, Abwärme aus jeglichen Energieprozessen auch im Fall von anfallender Abwärme mit ORC-Prozessen nachzuverströmen, so wie dies auch aus der DE 10 2006 043 518 AI bekannt ist.

Die Bezeichnung ORC meint „Organic-rankine-eyele" .

Damit sind Verfahren gemeint, die eine Turbine oder eine Arbeitsmaschine mit einem organischen, leicht verdamfenden Arbeitsmedium statt mit Wasserdampf antreiben.

RC dagegen meint nur Rankine-Cycle, wobei hier derselbe thermodynamische Kreisprozess vollzogen wird, jedoch nicht mit einem organischen Arbeitsmedium.

Die Möglichkeit der generellen Abwärmeverstromung kann also mit Hilfe von Niedertemperatur-ORC-Verfahren vorgenommen werden. Die Betriebstemperaturen zur

Verdampfung eines organischen Mediums liegen dabei bei unter 100°C.

So können solche Niedertemperatur-ORC-Anlagen an eine Abwärmequelle angeschlossen werden, die in diesem

Temperaturbereich Abwärme liefern.

Hierbei müssen jedoch weitere Wärmeverluste bei der Ankopplung einer solchen ORC-Einrichtung vermieden werden.

Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren sowie eine Einrichtung der gattungsgemäßen Art dahingehend weiter zu entwickeln, dass insgesamt ein größerer ^* Gesamtwirkungsgrad bei der Bilanz einer gesamten Energieerzeugungseinrichtung entsteht .

Die gestellte Aufgabe ist bei einem Verfahren der gattungsgemäßen Art erfindungsgemäß durch die

kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst .

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens sind in den abhängigen Ansprüchen 2 bis 8 angegeben. Im Hinblick auf eine Einrichtung der gattungsgemäßen Art ist die Aufgabe erfindungsgemäß durch die Merkmale des Anspruches 9 gelöst . Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Einrichtung bzw des Systems sind in den übrigen abhängigen Ansprüchen angegeben .

Kern der verfahrensgemäßen Erfindung ist, dass das

Verfahren ein INTEGRIERTES 2 -stufiges

Energieerzeugungsverfahren ist, in welchem in zwei thermisch gekoppelten aber ansonsten unabhängigen thermodynam sehen Kreisprozessen zwei unterschiedliche Arbeitsmedien eingesetzt werden, und in der besagten ersten Stufe in einem Hochtemperatur-Kreislauf (HT) eine Entspannungsmaschine oder eine erste Turbine mit dem ersten Arbeitsmedium betrieben wird, die mit einem ersten stromerzeugenden Generator verbunden ist, und dass die Abwärme insbesondere durch Kühlung/Kondensation im

Hochtemperatur-Kreislauf in einem zweiten, als

Niedertemperaturkreislauf (NT) arbeitenden Kreisprozess nachverstromt wird.

Wesentlich ist hierbei, dass zwei thermodynamisch gekoppelte, aber ansonsten unabhängige Prozesse

integriert werden, bei denen zwei unabhängige

Arbeitsmedien verwendet werden. Im einfachsten Fall ist dies Wasserdampf auf der einen, als Hochtemperaturseite betriebenen Seite, und ein ORC-Arbeitsmedium bekannter Art auf der anderen , als Niedertemperaturseite

betriebenen Seite .

Auf der Hochtemperaturseite wird vom Arbeitsmedium direkt eine Entspannungsmaschine, bspw eine Dampfkolbenmaschine , oder eine Turbine beströmt, die mechanisch mit einem Generator versehen oder gekoppelt ist, welcher aus der Bewegung Strom erzeugt. Dies betrifft die sogenannte Hochtemperaturseite. Die Hochtemperaturseite kann ein Hochtemperatur ORC-Kreislauf sein, oder ein

Wasserdampfkreislauf . In einem nachfolgenden Prozess wird die im Hochtemperatur-Kreislauf anfallende Abwärme, im wesentlichen am Kondensator, für die thermische Speisung eines Verdampfers eines Niedertemperatur-ORC-Kreislaufes genutzt. So wird zweistufig sowohl die

Hochtemperaturwärme als auch die ansonsten abfallende Niedertemperaturwärme verströmt, wobei aber verschiedene Arbeitsmedien verwendet werden.

Dabei entsteht erfindungsgemäß im Ergebnis also ein

INTEGRIERTES 2 -stufiges Energieerzeugungsverf hren. Der Unterschied ist die direkte Ankopplung der nutzbaren Abwärme der ersten Energieerzeugungsstufe.

Intergiertes Verfahren meint letztlich körperhaft, also auch gemäß der struturellen Merkmale der weiter unter noch beschriebenen Einrichtungsmerkmale, dass die

Integration soweit gehen kann, dass bspw der oder die Kühler der ersten (Hochtemperatur-)

Energieerzeugungseinrichtung bzw Verfahren keine

bekannten Kühler als solche mehr sind, sondern

integrierte Verdampfer für einen Zweitkreislauf auf

Niedertemperatur. D.h. die Kühlung einer

Verbrennungsmaschine etc erfolgt dabei nicht über

Luftkühlung. Im Fall der Erfindung sind die Kühler DIREKT durch Verdampfer ersetzt . Diese INTEGRATIVE Lösung ist erheblich energieeffizienter bei der nachgeschalteten Nutzung von Abwärme . In vorteilhafter Weise ist angegeben, dass der

Hochtemperatur-Kreislauf ebenfalls ein ORC-Kreislauf sein kann, der bei einer Temperatur von mehr als 100 °C betrieben wird. Solche Arbeits- d.h. Verdampfermedien für Hochtemperatur-ORC-Anlagen sind für Temperaturen sogar bis 350°C bekannt und verfügbar. Für höhere Temperaturen ist Wasser/Wasserdampf eher geeignet.

Alternativ dazu ist vorgesehen, dass der Hochtemperatur- Kreislauf ein Wasserdampfkreislauf mit einer

Kolbenkraftmaschine ist. Dieser ist geeignet

Verdampfertemperaturen bis 500°C zu fahren, bspw nach dem Vorbild bekannter klassischer Dampfmaschinen.

In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung ist vorgesehen, dass der Niedertemperatur-ORC-Kreislauf , d.h. das

Verdampfermedium desselben mit Wärmeenergie gespeist wird, bei einem Temperaturniveau von weniger als 100°C. Dies liegt als Abwärme am Kondensator und oder an den Kühlschnittstellen des Hochtemperatur-Kreislaufes an. Durch das integrative Verfahren werden keine üblichen Kühler ausgeführt, sondern die Kühler und/oder

Kondensatoren sind nicht mit herkömmlichen Wärmetauschern zur Speisung des Niedetempertaurkreislaufes verbunden, sondern die Kühler und/oder Kondensatoren des

Hochtemperaturbereiches sind direkt als Wärmetauscher bzw als Verdampfer des Niedertemperaturbereiches ausgeführt.

In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung ist angegeben, dass die Niedertemperatur- Rest- oder -Abwärme des

Niedertemperatur-ORC-Kreislaufes von ca 20°C

ausschließlich an Luft gekühlt wird.

Alternativ dazu kann aber auch eine dreistufige Wärmenutzung erfolgen, indem die Niedertemperatur- Restwärme entweder direkt, oder nach Einleitung in ein Wärmereservoir durch den Einsatz einer Wärmepumpe nachfolgend als Heizwärme genutzt wird.

Dies führt zu einer weiteren Erhöhung der

Wirtschaftlichkeit .

Besonders vorteilhaft ist ausgestaltet, dass die

Restwärme direkt ins Erdreich, oder in den

Grundwasserleiter des Erdreiches eingespeist wird, und sofort oder zu einem späteren Zeitpunkt diese dort gespeicherte Niedertemperaturrestwärme mittels einer Wärmepumpe und Erdkollektoren oder Erdsonden genutzt wird, und zum Betrieb einer Gebäudeheizung oder zur Vorheizung des ORC-Kreislaufes eingesetzt wird.

Diese Restwärme wird dabei nicht „vernichtet" sondern durch die Einleitung ins Erdreich quasi als Wärmespeicher gespeichert. Dort kann sie zu einem späteren Zeitpunkt abgerufen und mittels einer Wärmepumpe auf ein nutzbares Temperaturniveau gebracht werden. Diese von der

Wärmepumpe erzielte Wärme kann dabei wahlweise als

Vorheizung der ORC-Prozesses, und/oder zur direkten Heizung bspw eines Gebäudes herangezogen werden.

Kern der einrichtungsgemäßen Erfindung ist, dass die Einrichtung einen ersten Arbeitsmedien-Kreislauf als Hochtemperaturkreislauf und einen weiteren

Niedertemperaturkreislauf als ORC-Kreislauf aufweist, dass im Hochtemperaturkreislauf insbesondere Biomasse als nachwachsender Rohstoff verbrannt und die

Verbrennungswärme in elektrische Energie umgewandelt wird, und dass der Kondensator und/oder Kühler des

Hochtemperatur-Kreislaufes direkt als Verdampfer des ORC- Kreislaufes betreibbar ist.

In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung ist angegeben, dass der Hochtemperatur-Kreislauf ein Hochtemperatur-ORC- Kreislauf ist, der bei einer Temperatur von mehr als 100 °C mit einem entsprechenden Hochtemperatur-ORC- Arbeitsmedium betreibbar ist. Dieser

Hochtemperaturbereich ist mit organischen Arbeitsmedien bekanntermaßen bis 350 °C betreibbar.

Dabei kann alternativ vorteilhaft vorgesehen sein, dass der Hochtemperatur-Kreislauf ein Wasserdampfkreislauf ist. Dies insbesondere für den Fall, dass

Verdampfertemperaturen von ca 500°C erreicht werden.

Für den Hochtemperaturbereich lassen sich Dampfmaschinen einsetzen, so dass im Hochtemperaturkreislauf eine

Kolbenkraftmaschine die Energie des Arbeitsmediums umsetzt .

Alternativ kann auch vorgesehen sein, dass im

Hochtemperaturkreislauf eine Turbine die Energie des Arbeitmediums umsetzt.

Für die nachrangige Stufe des Niedertemperaturbereiches ist vorgesehen, dass im Niedertemperatur-ORC-Kreislauf das Arbeitsmedium bei einer Temperatur von weniger als 100 °C betrieben wird.

Die baulich integrative Anordnung und Kopplung des

Hochtemperaturbereiches mit dem Niedertemperaturbereich erhöht den Wirkungsgrad enorm, weil die

Wärmekopplungsstelle zwischen Hochtemperatur (HT) und Niedertemperatur (NT) nicht mehr über eine Kopplung von HT-Kondensator mit Wärmetauscher mit NT-Verdampfer erfolgt, sondern stattdessen der HT-Kondensator zugleich der NT-Verdampfer ist. Weiterhin ist ausgestaltet, dass die qua Umwandlung in elektrische Energie nicht mehr nutzbare Niedertemperatur- Rest- oder -Abwärme des Niedertemperatur-ORC-Kreislaufes von ca 20°C mittels eines luftumströmten Kühlers

abgeführt wird.

Alternativ dazu kann aber auch eine dritte

Wärmenutzungsstufe wahrgenommen werden, indem

die Niedertemperatur-Restwärme entweder direkt, oder nach Einleitung in ein Wärmereservoir bspw über Erdsonden dem Grundwasserleiter zuführbar ist, und dort durch den

Einsatz einer Wärmepumpe wieder abrufbar und als

thermisch angehobene Wärme wieder verfügbar ist.

So wird diese mit in ein natürlich vorhandenes Reservoir eingespeist. Das dort angehobene Temperaturniveau wird dann energetisch durch eine angeschlossene Wärmepumpe genutzt, um Wärme zu erzeugen.

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

Es zeigt :

Figur 1 : Übersicht über die Einbindung von Hochtemperatur und Niedertemperatur-Kreislauf

Figur 2: Ausführungsbeispiel mit Wärmereservoir

Figur 1 zeigt in einer übersichtlichen Darstellung die Teilung in Hochtemperturkreislauf _. , (HT) 1 und Niedertemperaturkreislauf (NT) 2. Im

Hochtemperaturkreislauf wird durch Verbrennung von insbesondere Biomasse-Energieträgern wie Pellets, staubförmige Biomasse und/oder Biogas eine Temperatur von bis zu 1.000 °C im Verbrennungsraum erreicht. Das

Druckmedium des Hochtemperaturkreislaufes 1 wird dabei mit einer Temperatur bis ca 500 °C verdampft. Die

Übertragung der Verbrennungswärme bei 1.000 °C auf das Arbeits- oder Druckmedium bei nur 500°C umfasst die Verdampfungsenthalpie. Arbeitsmedientemperatur von deutlich mehr als 500°C sind aus thermodynamisehen

Gründen nicht praktikabel. Arbeitsmedium für diesen Hochtemperaturkreislauf ist in diesem hohen

Temperaturbereich Wasserdampf. Der nur schematisch dargestellte Hochtemperaturkreislauf 1 besteht in bekannter Weise aus einem Verdampfer, der von der

Verbrennungswärme beheizt wird, eine Turbine-Generator- Anordnung oder eine Arbeitsmaschine-Generator-Anordnung. Im Kreislauf enthalten ist auch ein Kondensator, bzw ein damit kombinierter Wärmetauscher, der diese Abwärme aus dem Hochtemperaturkreislauf 1 auskoppelt in einen zweiten Niedertemperaturkreislauf 2, d.h. in einen dortigen

Verdampfer einspeist. Dieser Niedertemperaturkreislauf 2 enthält ebenso den besagten Verdampfer, sowie eine

Turbine-Generator-Anordnung oder Arbeitsmaschine- Generator-Anordnung .

In vorteilhafter aber nicht zwanghafter Weise ist der Kondensator des Hochtemperatur-Kreislaufes 1 baulich in den Verdampfer des Niedertemperaturkreislaufes 2

integriert, um eine möglichst effektive Übertragung der Niedertemperaturabwärme zu gewährleisten. Im besagten Niedertemperatur-Kreislauf 2 wird in vorteilhafter Weise das Arbeitsmedium organisches ORC-Arbeitsmedium eingesetzt. Dies kann typischerweise zwischen ca 70 °C bis 350°C eingesetzt werden.

Die besagte integrierte Kondensator/Verdampfer-Einheit zwischen den beiden Kreisläufen 1 und 2 wird

kondensatorseitig vom ersten Arbeitsmedium (Wasserdampf) durchströmt und verdampferseitig vom zweiten

Arbeitsmedium ORC-Arbeitsmedium durchströmt. Somit ist diese genannte integrierte Bauweise von

Kondensator/Verdampfer beim erfindungsgemäßen

zweistufigen Erzeugungsprozess von elektrischer Energie eine Art Wärmetauscher zwischen beiden Kreisläufen bzw Kreisprozessen 1 und 2. Dieser ist nach außen hin aber thermisch isoliert. Das Besondere ist hierbei, dass diese kombinierte bzw integrierte Kondensator/Verdampfereinheit von zwei verschiedenen Arbeitsmedien durchströmt werden . Hochtemperaturseitig kann dies Wasserdampf oder

Hochtemperatur-ORC-Medium sein, und sekündarseitig

Niedertemperatur-ORC-Medium .

Die im Niedertemperaturkreislauf anfallende Restwärme am Kondensator, d.h. an einem Kühler 4 wird hingegen zu einem quasi unendlichen Wärmereservoir hin gekühlt, und dies auf einem Temperaturniveau von ca 20°C. Diese

Restwärme ist auf diesem Temperaturniveau quasi nicht mehr verstrombar.

Figur 2 zeigt jedoch ein besonderes

Ausgestaltungsbeispiel, bei welchem die am Kühler 4 bzw am Kondensator anfallende Restwärme des

Niedertemperaturkreislaufes 2 auf dem Temperaturniveau von ca 20°C einem Wärmespeicher zugeführt wird, wo bspw durch eine Wärmepumpe das Temperaturniveau angehoben und bspw zur Wärmespeisung in einem Gebäude dienen kann.

Hierzu kann der Kühler 4 einen thermischen Übergang zu einem Wärmespeicher in Form des Grundwasserleiters haben. Dabei würde diese anfallende Abwärme in das Erdreich eingespeist, und bei einer vorhandenen Wärmepumpe 5 wieder auf ein heiztechnisch verwendbares

Temperaturniveau angehoben werden. Die Darstellung nach Figur 1 erzeugt aus den beiden

Kreisläufen elektrische Energie. Gemäß der Darstellung nach Figur 2 wird außer elektrischer Energie auch noch direkt nutzbare Heizwärme erzeugt.

szeichen

1 Hochtemperaturprozess (HT) , erstes Arbeitsmedi

2 Niedertemperaturprozess (NT) , zweites

Arbeitsmedium

3 Erzeugung elektrische Energie aus Wärme

4 Kühler

5 Wärmepumpe