Verfahren und Vorrichtung zur Erhöhung von Leistung und Wirkungsgrad eines ORC- Kraftwerkprozesses

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erhöhung von Leistung und Wirkungsgrad eines ORC-Kraftwerkprozesses gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und eine Vorrichtung zur Erhöhung von Leistung und Wirkungsgrad eines ORC-Kraftwerkprozesses gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 16.

Der ORC-Prozess (Organic Rankine Cycle) ist ein thermodynamischer Kreisprozess, und in ORC-Anlagen wird thermische Energie in elektrischen Strom bei Temperaturen und Drücken weit unter den in herkömmlichen Wasserdampfkraftwerken üblichen Werten umgewandelt. Im ORC-Kraftwerkprozess werden niedrig siedende Dämpfe, beispielsweise von Kohlenwasserstoffen wie Butan, Pentan, Propan und Hexan, verwendet, um in einer ORC-Turbine durch Entspannung Expansionsarbeit zu leisten, welche in einem Generator in elektrische Energie umgewandelt werden kann. Dabei ist es von Vorteil, dass sogenannte Niedertemperatur-Wärme (NT-Wärme), deren Temperaturniveau unterhalb von 280° bis 300° C liegt, verströmt werden kann. Unter Mitteltemperatur-Wärme (MT-Wärme) wird im Kraftwerksbau ein Temperaturniveau von 220° bis etwa 600° C verstanden. Oberhalb dieses Temperaturniveaus liegt der Bereich der sogenannten Hochtemperatur-Wärme (HT-Wärme).

Es ist bekannt, Niedertemperaturwärme in geothermischen Kraftwerken mit Hilfe des ORC-Prozesses zu verströmen. Bei Thermalwassertemperaturen von 100° bis 165° C werden jedoch nur Wirkungsgrade von 9% bis 13%, maximal 14% erreicht. Wenn neben NT-Wärme auch MT-Wärme zur Verfügung steht, wird diese mit Hilfe eines Trägermediums, in aller Regel mit einem Thermoöl, ausgekoppelt und in einen ORC- Verdampfer eingekoppelt.

Aufgrund der MT-Wärme wird die Leistung des ORC-Kraftwerkes entsprechend erhöht. Jedoch bleibt der Wirkungsgrad der Anlage auf dem vorgenannten niedrigen Niveau, da die in der Regel größere NT-Wärmemenge die Höhe des verstrombaren Energiegefälles bestimmt. Zudem kann durch die Zwischenschaltung der Thermoöl- Wärmeauskopplung das mögliche Temperaturgefälle aus dem MT-Wärmeangebot nicht optimal genutzt werden, so dass für den ORC-Prozess nutzbare Wärme verloren geht.

Alternativ zu der Wärmeauskopplung mittels Thermoöl ist es bekannt, im MT-Bereich auch konventionelle Abhitze-Dampfkessel, welchen eine separate Wasserdampfturbine zugeordnet ist, einzusetzen. Fig. 7 zeigt beispielhaft die Schaltung eines bekannten geothermischen ORC-Kraftwerkes in Kombination mit einem Gasturbinen-Kraftwerk.

Einer Brennkammer 2 ist ein Luftverdichter 3 vorgeschaltet, und auf gleicher Welle 5 sind eine Gasturbine 1 und ein Strom erzeugender Generator 4 angeordnet. Das in der Brennkammer 2 gebildete Abgas 7 wird einem Abhitzedampfkessel 6 zugeführt, und der erzeugte Dampf gelangt in eine Wasserdampfturbine 14, welche in diesem Beispiel auf einer gemeinsamen Welle 15 einer ORC-Turbine 8 und eines ORC-Generators 9 sitzt.

Die ORC-Turbine 8 wird mit dem Arbeitsmitteldampf aus einem ORC-Verdampfer 10 gespeist. Die Wärmezufuhr erfolgt durch Thermalwasser 18, welches mit einer Temperatur von etwa 100° bis 165° C Wärmetauscherflächen 11 im Verdampfer 10 zugeleitet, wobei Wärme an das verdichtete, flüssige Arbeitsmittel, beispielsweise flüssige Kohlenwasserstoffe, abgegeben wird, so dass das Arbeitsmittel verdampft. Das abgekühlte Thermalwasser 19 wird mit einer Temperatur von etwa 80° C abgeleitet. Der ORC- Kreisprozess wird nach der ORC-Turbine 8 durch einen Kondensator 13 und eine Verdichtungseinrichtung 12, beispielsweise eine Rezirkulationspumpe, funktionell geschlossen.

Derartige geothermische Kraftwerke, welche Niedertemperaturwärme verströmen, haben aufgrund des niedrigen Enthalpiegefälles relativ geringe Wirkungsgrade. Das Verhältnis von Investitionskosten und Ausbeute an elektrischem Strom erreicht häufig nicht die Grenze der Wirtschaftlichkeit. Dies trifft auch dann zu, wenn NT-Abwärme aus chemischen, metallurgischen und verfahrenstechnischen Prozessen, beispielsweise von Zementanlagen, genutzt werden kann und auch mehrere Abwärmequellen und mit unterschiedlichem Temperaturniveau eingesetzt werden können.

Wenn für eine ORC-Kraftwerksanlage neben NT-Wärme auch MT-Wärme zur Verfügung steht, so wird diese in der Regel mit Hilfe eines Trägermediums, beispielsweise Thermoöl, ausgekoppelt und in den ORC-Verdampfer eingekoppelt.

Die Leistung des ORC-Kraftwerkes wird entsprechend erhöht. Der Wirkungsgrad der Anlage bleibt jedoch auf einem relativ niedrigen Niveau, da die in der Regel auch hier größere NT-Wärmemenge die Höhe des verstrombaren Energiegefälles bestimmt. Durch die Zwischenschaltung einer Thermoöl-Wärmeauskopplung kann das mögliche Temperaturgefälle auch aus dem MT-Wärmeangebot nicht optimal genutzt werden, so dass für den ORC-Prozess nutzbare Wärme verloren geht.

Das in Fig. 7 gezeigte Wärmeauskopplungssystem für MT-Wärme, welche mit Hilfe eines Dampfkessels ausgekoppelt wird, zeigt im Vergleich zur Wärmeauskopplung mittels Thermoöl ebenfalls keine höhere Kraftwerksleistung oder höhere Wirkungsgrade.

Nachteilig ist des Weiteren, dass Lastschwankungen nicht kompensiert werden können. Zudem sind die Investitionskosten relativ hoch.

Der Erfindung liegt die A u f g a b e zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zu schaffen, mit welchen zur Erreichung der erforderlichen Wirtschaftlichkeit sowohl die Leistung als auch der Wirkungsgrad eines ORC-Kraftwerkprozesses deutlich erhöht werden.

Verfahrensmäßig wird die Aufgabe gemäß der Erfindung durch die Merkmale des Anspruchs 1 und vorrichtungsmäßig durch die Merkmale des Anspruchs 16 gelöst. Zweckmäßige und vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen und in der Figurenbeschreibung enthalten.

Das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Vorrichtung basieren auf dem Grundgedanken, ein ORC-Arbeitsmittel, beispielsweise Kohlenwasserstoffe der allgemeinen Formel C _n H _mi ohne Zwischenschaltung eines Wärmeträgermediums, wie z. B. Thermoöl, mit NT-Wärme und zusätzlich durch MT-Wärme und/oder HT-Wärme zu verdampfen und die Arbeitsmitteldämpfe im Bereich der MT- und/oder HT-Wärme außerdem zu überhitzen.

Bei dem erfindungsgemäßen Kraftwerkskonzept wird das flüssige und verdichtete Arbeitsmittel der ORC-Anlage in wenigstens zwei Abwärmeströmen, welche ein unter-

schiedliches Temperaturniveau aufweisen, vorgewärmt, verdampft und überhitzt. Zusätzlich oder alternativ zu einem der Abwärmeströme kann ein beispielsweise mit Bio- öl gefeuerter Heißgaserzeuger installiert werden, wobei dieser beispielsweise in einen MT-Abgasstrom integriert werden kann.

Das erfindungsgemäße Verfahren zur Erhöhung von Leistung und Wirkungsgrad im ORC-Kraftwerkprozess geht von einem im Kreislauf geführten ORC-Arbeitsmittel aus, welches nach einer Verdichtung in einem Verdampfer mit Hilfe einer Niedertemperatur- Wärmequelle verdampft und nach Entspannung in einer ORC-Turbine in einem Kondensator kondensiert wird. Erfindungsgemäß wird der Arbeitsmitteldampf des Verdampfers, welcher beispielsweise etwa 145° C aufweisen kann, einem überhitzer zugeführt und überhitzt. Der überhitzte Heißdampf wird der ORC-Turbine zur Verstromung zugeführt.

Gemäß der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist der überhitzer separat angeordnet und eingangsseitig mit dem ORC-Verdampfer über eine Dampfleitung für den Arbeitsmitteldampf und ausgangsseitig mit der ORC-Turbine über eine Heißdampfleitung für den überhitzten Arbeitsmitteldampf verbunden.

Zweckmäßigerweise wird der ORC-Verdampfer mit einer größeren NT-Wärmequelle, beispielsweise Thermalwasser, beaufschlagt. An Stelle von Thermalwasser kann eine Wärmeauskopplung auch aus Rauch- oder Prozessgasen einer verfahrenstechnischen Anlage sowie auch durch Direktverdampfung des flüssigen Arbeitsmittels oder auch mittels einer Thermoöl-Wärme-Auskopplung erfolgen.

Es ist vorteilhaft, den überhitzer wenigstens zweistufig auszubilden und den Arbeitsmitteldampf aus dem Verdampfer einer ersten überhitzerstufe und einer zweiten überhitzerstufe zuzuführen. In der ersten überhitzerstufe wird der Arbeitsmitteldampf vorüberhitzt und in der zweiten überhitzerstufe endüberhitzt.

Um sicherzustellen, dass die Endüberhitzerstufe in allen Lastfällen immer mit der gesamten Arbeitsmitteldampfmenge beaufschlagt wird, ist eine Bypassierung der ersten überhitzerstufe vorgesehen, welche ein Dreiwegeventil und eine Bypassleitung aufweisen kann.

Als ORC-Arbeitsmittel können vorteilhaft Kohlenwasserstoffe, beispielsweise Butan, Pentan, Propan, Hexan, oder Halogenkohlenwasserstoffe, beispielsweise Chlorkohlen-

Wasserstoffe oder Perfluorpentan, oder auch Ammoniak eingesetzt werden und mit Hilfe einer Niedertemperaturwärmequelle in einem Temperaturbereich von etwa 100° bis 300° C verdampft werden.

Die überhitzung des Arbeitsmitteldampfes in den überhitzerstufen kann durch Rauchoder Prozessgase oder auch durch Wärmestrahlung erfolgen, wobei MT- und/oder HT- Wärmequellen mit einer Temperatur von 300° C bis maximal 800° C eingesetzt werden können.

Zur Maximierung der in einen ORC-Kreislauf einkoppelbaren MT-Abwärmemenge und zur Vermeidung von überhitzung und Cracken der Arbeitsmitteldämpfe ist es zweckmäßig, den überhitzerheizflächen weitere Verdampfer- und Vorwärmerheizflächen, nachstehend auch als Wärmetauscherflächen bezeichnet, nachzuschalten. Diese Wärmetauscherflächen sind in Bezug auf die einen Abgaswärmetauscher durchströmenden Abgase den überhitzerstufen vorzugsweise nachgeschaltet und können vorteilhafterweise auch mit einer größeren regelbaren Wärmemenge beaufschlagt werden. Auf diese Weise können mögliche Schieflagen =f (geringe überhitzerdruckverluste von 1 beziehungsweise maximal 2 bar), das heißt, mögliche überhitzungen und ein Cracken des Arbeitsmittels vermieden werden.

Es ist vorteilhaft, dass die Wärmetauscherflächen zur Vorwärmung wenigstens einer Teilmenge des im Kreislauf geführten, kondensierten und verdichteten Arbeitsmittels vorgesehen sind. Indem die Wärmetauscherflächen zur Vorwärmung und zumindest teilweisen Verdampfung des Arbeitsmittels den überhitzerstufen rauchgasmäßig nachgeschaltet sind, kann die dem Wärmetauscher zugeführte Abgasmenge tiefer abgekühlt werden als dies beispielsweise bei einer Wärmeauskopplung mittels Thermoöl oder Wasserdampf möglich ist. Die für die Verstromung nutzbare, ausgekoppelte Abwärmennenge ist somit größer.

Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass die Abwärmenutzung in einem Wärmetauschersystem mit wanderndem Pinch-Point erfolgen kann, wobei ein entsprechendes Regelsystem die Abwärmenutzung optimiert und zur Erhöhung des Anlagenwirkungsgrades beiträgt.

Als Pinch-Point PP wird die kleinste Temperaturdifferenz zwischen den Abkühlkurven der MT-Wärme und den Aufwärmkurven des ORC-Arbeitsmittels bezeichnet.

Indem Wärmetauscherflächen zur Vorwärmung zumindest einer Teilmenge des verdichteten ORC-Arbeitsmittels vorgesehen sind, kann die aus einem Abgasstrom auskoppelbare Wärme maximiert werden.

In Verbindung mit den geteilten überhitzerstufen wird neben einer schieflagenfreien Arbeitsmittel-Heißdampftemperaturregelung auch eine Verlagerung des Wärmeangebotes vom ORC-Verdampfer auf die Wärmetauscherflächen zum Vorwärmen und zumindest teilweisen Verdampfen des Arbeitsmittels ermöglicht.

So kann es in geothermischen Kraftwerken im ORC-Verdampfer zu temporären änderungen der Thermalwassermenge und/oder -temperatur kommen, welche zu einer Wärmeleistungsreduzierung führen. Diese kann auch durch Salzablagerungen auf den ORC-Verdampferheizflächen hervorgerufen werden. Durch die gemäß der Erfindung mögliche Erhöhung des Wärmeangebotes im Bereich der Wärmetauscherflächen eines Abgaswärmetauschers kann die Arbeitsmitteldampfproduktion vorteilhafterweise um den Betrag erhöht werden, um den die Wärmeaufnahme im ORC-Verdampfer sinkt.

Vorrichtungsmäßig ist es vorteilhaft, dass die erforderliche Aufteilung beziehungsweise Verschiebung der zu verdampfenden Arbeitsmittelmengen vom ORC-Verdampfer zu den Wärmetauscherflächen eines Abgaswärmetauschers mit Hilfe eines zweiten Dreiwegeventils gesteuert werden kann, welches nach einer Verdichtungseinrichtung für das kondensierte Arbeitsmittel in der Arbeitsmittelleitung angeordnet sein kann. Die Steuerung dieses Dreiwegeventils zur Leistungsoptimierung kann vorteilhaft mit Hilfe eines Regelsystems, insbesondere eines NC-Regelsystems, beispielsweise einem sogenannten Split-Range-Leistungsregler, durchgeführt werden, welcher wirkungsmäßig als Folgeregelung ausgebildet ist und durch geteilte Regelimpulse von beispielsweise 4 bis 16 mA für ein Dreiwegeventil zwischen den zwei überhitzerstufen und 16 bis 20 mA für das Dreiwegeventil zur Aufteilung beziehungsweise Verschiebung der zu verdampfenden Arbeitsmittelmengen ausgebildet ist.

Es liegt im Rahmen der Erfindung, dass als NT-Wärmequelle neben Thermalwasser auch Abgase aus anderen Prozessen und als MT-Wärme abgebende Anlage eine Gasturbine, ein chemischer, metallurgischer oder verfahrenstechnischer Prozess und/oder ein mit öl, Gas oder Biomasse gefeuerter Heißgaserzeuger verwendet werden können. In den Wärmetauscherflächen zur Vorwärmung beziehungsweise Verdampfung kann insbesondere eine Kondensationswärme der Heißgase genutzt werden. Die für den Ar-

beitsmittel-überhitzer eingesetzte Edelbrennstoffmenge in Form von öl, Gas oder Bio- Brennstoff wird mit hohem Wirkungsgrad verströmt, da bei der in Form der Brennstoffe zusätzlich eingesetzten Energie keine Kondensationswärme verloren geht. Der Gesamtwirkungsgrad der ORC-Anlage wird dadurch deutlich erhöht und steigt je nach Temperaturniveau der NT-Wärmequelle von 9% bis 13% auf etwa 16% bis 20%.

Durch eine entsprechende Wärmebilanzverteilung in diesem kombinierten ORC-System können mit Hilfe eines direkt gefeuerten überhitzers beziehungsweise durch einen den überhitzerstufen und den Wärmetauscherflächen vorgeschalteten Heißgaserzeuger die Wirkungsgrade weiter erhöht werden.

Die Erfindung wird nachstehend anhand einer Zeichnung weiter erläutert; in dieser zeigen:

Fig. 1 die Prinzipschaltung eines erfindungsgemäßen ORC-Kraftwerkes;

Fig. 2 das T-Q-Diagramm des erfindungsgemäßen ORC-Kraftwerkes gemäß

Fig. 1 ;

Fig. 3 das T-Q-Diagramm des erfindungsgemäßen ORC-Kraftwerkes gemäß

Fig. 1 bei einer veränderten Wärmeaufnahme im ORC-Verdampfer;

Fig. 4 das Schalt- und Fließschema eines geothermischen ORC-Kraftwerkes mit Einkopplung der Wärme aus einer Gasturbinenanlage;

Fig. 5 ein Schalt- und Fließschema eines Dieselmotor-Kraftwerkes mit einer erfindungsgemäßen Einbindung eines ORC-Kraftwerkes und

Fig. 6 das Schalt- und Fließschema gemäß Fig. 5 mit einem alternativen

Durchlaufverdampfer.

Fig. 1 zeigt ein ORC-Kraftwerk mit einer ORC-Turbine 8, einem angeschlossenen ORC- Generator 9, einem Verdampfer 10 und einem Kondensator 13 sowie einem im Kreislauf geführten ORC-Arbeitsmittel. Das ORC-Arbeitsmittel, welches nach Entspannung in der ORC-Turbine 8 in dem Kondensator 13, welcher hier ein Luftkondensator ist, verflüssigt und über eine Verdichtungseinrichtung 12, beispielsweise einer Rezirkulati- onspumpe, in einer Arbeitsmittelleitung 22 als eine Teilmenge zum Verdampfer 10 ge-

langt, wird mit Hilfe einer Niedertemperatur-Wärmequelle 18, 19, welche in diesem Ausführungsbeispiel Thermalwasser ist, verdampft und gelangt danach über eine Dampfleitung 20 in einen überhitzer 25.

Die Aufteilung des verdichteten Arbeitsmittels erfolgt in diesem Ausführungsbeispiel mit Hilfe eines zweiten Dreiwegeventils 32, so dass regelbare Teilmengen des Arbeitsmittels über eine erste Leitung 22.1 dem Verdampfer 10 und über eine zweite Leitung 22.2 Wärmetauscherflächen 24 zur Vorwärmung und/oder wenigstens teilweisen Verdampfung zugeführt werden können. über eine Verbindungsleitung 23 gelangt das an den Wärmetauscherflächen 24 vorgewärmte oder verdampfte Arbeitsmittel in den Verdampfer 10 und danach über die Dampfleitung 20 in den überhitzer 25.

Der überhitzer 25 ist in eine erste überhitzerstufe 25.1 und eine zweite überhitzerstufe 25.2 geteilt, und ein erstes Dreiwegeventil 31 ermöglicht eine Dampftemperaturregelung durch eine Teil-Bypassierung der ersten überhitzerstufe 25.1. Auf diese Weise kann sichergestellt werden, dass die zweite überhitzerstufe 25.2 für eine Endüberhitzung des Arbeitsmitteldampfes in allen Lastfällen immer mit der gesamten Arbeitsmitteldampfmenge beaufschlagt wird. Gleichzeitig kann die Wärmetauscherfläche 24 mit einer größeren, regelbaren Wärmemenge beaufschlagt werden.

Der überhitzer 25 und die Wärmetauscherfläche 24 zur Vorwärmung und wenigstens teilweisen Verdampfung wenigstens einer Teilmenge des Arbeitsmittels sind in diesem Ausführungsbeispiel in einem Abgaswärmetauscher 26 angeordnet, welcher beispielsweise von Abgasen 7 eines Gasturbinenkraftwerkes (siehe auch Fig. 4) zur direkten Auskopplung von MT-Wärme durchströmt wird. Wie aus Fig. 1 hervorgeht, sind die Wärmetauscherflächen 24 zur Vorwärmung zumindest einer Teilmenge des verdichteten Arbeitsmittels in Bezug auf die Strömungsrichtung der Abgase 7 den überhitzerstufen 25.1 , 25.2 nachgeschaltet. Ebenso ist die erste überhitzerstufe 25.1 zur Vorüberhit- zung des verdichteten Arbeitsmitteldampfes der zweiten überhitzerstufe 25.2, welche der Endüberhitzung dient, nachgeschaltet. Der Arbeitsmittel-Heißdampf gelangt mit einer Temperatur von etwa 190° bis 210° C in die ORC-Turbine 8 und wird mit Hilfe des Generators 9 verströmt.

Gleichzeitig kann eine regelbare, anlagenspezifische Arbeitsmittelmenge vorgewärmt und verdampft werden. Die für die Verstromung nutzbare ausgekoppelte Abwärme- menge wird größer. Außerdem zeigt ein Temperaturverlauf in der Wärmetauscherfläche

24 aufgrund deren Ausbildung als Durchlauferhitzer zur Vorwärmung und Verdampfung des Arbeitsmittels nur einen, lastabhängig wandernden optimalen Pinch-Point (PP).

Aus den Figuren 2 und 3 gehen die Abkühlkurven (TWT) mit ihren Bereichen Vorwärmung (TE) ₁ Verdampfung (Tv) und überhitzung (TUE) und deren kleinste Temperaturdifferenz, welche als Pinch-Point (PP) bezeichnet wird, hervor.

In den in den Figuren 2 und 3 gezeigten T-Q-Diagrammen und Temperatur- Verlaufskurven f (ausgetauschte Wärmemenge δQ) im ORC-Gasturbinenkraftwerk gemäß Fig. 1 bedeuten:

δQwn in den überhitzerstufen 25.1 , 25.2 und an den Wärmetauscherflächen 24 ausgekoppelte MT-Wärme;

δQwτ2 im Verdampfer 10 ausgekoppelte NT-Wärme;

Twτi MT-Temperaturverlauf im Abgaswärmetauscher 26;

Twτ ₂ NT-Temperaturverlauf im Verdampfer 10;

T _UE Arbeitsmitteldampf-Temperaturverlauf im überhitzer 25 beziehungsweise in den überhitzerstufen 25.1 , 25.2;

PP1 Pinch-Point im MT-Bereich;

PP2 Pinch-Point im NT-Bereich;

Tvi Arbeitsmittel-Verdampfungs-Temperatur, welche auch die ausgekoppelte

Verdampfungswärme anzeigt;

T _E i Arbeitsmittel-Vorwärmer-Temperatur, welche auch die ausgekoppelte Vor- wärmungswärme anzeigt;

Tv ₂ Arbeitsmittel-Verdampfer-Temperatur, welche auch die ausgekoppelte Verdampfungswärme anzeigt;

T _E2 Arbeitsmittel-Vorwärmer-Temperatur, welche auch die ausgekoppelte Vor- wärmungswärme angibt.

In Fig. 3 gibt das T-Q-Diagramm die Veränderung der Wärmeaufnahmen und der Temperaturverläufe für den Fall wieder, dass sich die Wärmeaufnahme im ORC-Verdampfer

10 um einen Wert X verringert hat. Eine derartige Wärmeleistungsreduzierung im ORC- Verdampfer 10 kann aus temporären änderungen der Thermalwassermengen und/oder -temperaturen oder auch aus Salzablagerungen auf den ORC-Verdampfer-Heizflächen

11 resultieren.

Durch Erhöhung des Wärmeangebots im Bereich der Wärmetauscherflächen 24 kann die Arbeitsmitteldampfproduktion um den Betrag erhöht werden, um den die Wärmeaufnahme der Arbeitsmittel-überhitzer Stufen 25.1 , 25.2 im ORC-Verdampfer 10 sinkt. Die entsprechende Aufteilung beziehungsweise Verschiebung der zu verdampfenden Arbeitsmittelmengen vom ORC-Verdampfer 10 in die Wärmetauscherflächen 24 des Abgaswärmetauschers 26 wird mit Hilfe des zweiten Dreiwegeventils 32 gesteuert.

Fig. 4 zeigt das Schalt- und Fließschema eines geothermischen ORC-Kraftwerkes, in welches ein Abgaswärmetauscher 26 eines Gasturbinenkraftwerkes mit einer Gasturbine 1 , einer Brennkammer 2, einem Luftverdichter 3, einem Generator 4 und einer gemeinsamen Welle 5 Leistungs- und Wirkungsgrad erhöhend eingebunden ist. Die ORC- Anlage besteht wiederum aus den Hauptkomponenten Verdampfer 10, ORC-Turbine 8 mit Generator 9, Kondensator 13 und Verdichtungseinrichtung 12, beispielsweise Re- zirkulationspumpe.

Für identische Merkmale werden die gleichen Bezugszeichen verwendet.

Die geothermische Wärme von Thermalwasser als NT-Wärmequelle 18, 19 wird dem Verdampfer 10 zugeführt und als abgekühltes Thermalwasser 19 abgeführt. Das im Kondensator 13 anfallende flüssige Arbeitsmittel, beispielsweise Kohlenwasserstoffe der allgemeinen Formel C _n H _m, wird mit Hilfe der Verdichtungseinrichtung 12 über die Arbeitsmittelleitung 22 und als Teilmenge über eine erste Leitung 22.1 dem Verdampfer 10 und eine zweite Leitung 22.2 den Wärmetauscherflächen 24 im Abgaswärmetauscher 26 zugeführt. Die Mengenverteilung erfolgt durch ein der Rezirkulationspumpe nachgeschaltetes, zweites Dreiwegeventil 32, welches durch eine Regeleinrichtung, beispielsweise einen NC-Leistungsregler 33, geregelt wird.

Der überhitzer 25 besteht wiederum aus einer ersten überhitzerstufe 25.1 zur Vorüber- hitzung und einer zweiten überhitzerstufe 25.2 zur Endüberhitzung des in einer Dampfleitung 20 zugeführten Arbeitsmitteldampfes. Die erste überhitzerstufe 25.1 kann durch die Regeleinrichtung 33 betriebsabhängig teilbeaufschlagt werden, während die zweite

überhitzerstufe 25.2 immer mit der gesamten Arbeitsmitteldampfmenge beaufschlagt wird. Als Regeleinrichtung 33 kann ein Leistungsregler, beispielsweise ein sogenannter Split-Range-Leistungsregler, eingesetzt werden, welcher in der Wirkung als Folgeregelung auf die Dreiwegeventile 31 , 32 wirkt, beispielsweise durch geteilte Regelimpulse von 4 bis 16 mA für das erste Dreiwegeventil 31 für die überhitzerstufen 25.1 , 25.2 und 16 bis 20 mA für das zweite Dreiwegeventil 32 für die Mengenverteilung des verdichteten Arbeitsmittels.

Fig. 5 zeigt das Schalt- und Fließschema eines Diesel-Motorkraftwerkes 41 , 42 mit Einbindung eines ORC-Turbogenerators 8, 9 mit Hilfe einer Abhitzegewinnungsanlage 40 für das ORC-Arbeitsmittel. Die Abhitzegewinnungsanlage 40 weist Wärmetauscherflächen 44 zur Vorwärmung des im Kondensator 13 verflüssigten und mit Hilfe der Verdichtungseinrichtung 12 verdichteten ORC-Arbeitsmittels auf, welches über die Arbeitsmittelleitung 22 zu den Wärmetauscherflächen 44 gelangt und nach Vorwärmung und teilweisen Verdampfung über eine Verbindungsleitung 23 einer ORC- Ausdampftrommel 36 zugeführt wird. Den Wärmetauscherflächen 44 in Bezug auf die Strömungsrichtung der MT- und/oder HT-Wärmequelle vorgeschaltet sind Wärmetauscherflächen beziehungsweise Heizflächen 43 zum Verdampfen des in einem Zwangsumlauf mit der ORC-Ausdampftrommel 36 geführten Arbeitsmittels. In dem Zwangsumlaufsystem ist eine Umwälzpumpe 37 angeordnet. Der Arbeitsmitteldampf gelangt aus der ORC-Ausdampftrommel 36 über eine Dampfleitung 20 in eine erste überhitzerstufe 45.1 , welche mit Hilfe einer Bypassleitung 27 und eines ersten Dreiwegeventils 31 by- passierbar gestaltet ist.

Der Abhitzegewinnungsanlage 40 vorgeschaltet ist ein Heißgaserzeuger 46, in welchen eine zweite überhitzerstufe 45.2 zur Endüberhitzung des Arbeitsmitteldampfes integriert ist. Von dieser Endüberhitzerstufe 45.2 gelangt der Heißdampf über eine Heißdampfleitung 21 zu der ORC-Turbine 8.

Mit Hilfe eines Rezirkulationsgebläses 54 werden über einen Rezirkulationskanal 48 abgekühlte Rauchgase 47 in den Heißgaserzeuger 46 eingedüst, um die Heißgastemperatur vor der zweiten überhitzerstufe 45.2 beziehungsweise dem Endüberhitzer des Arbeitsmittels auf etwa 650° C, maximal 780° C zu reduzieren. Dadurch wird einem Vercrackungsvorgang des überhitzten Arbeitsmitteldampfes entgegengewirkt und die Lebensdauer des im Kreislauf geführten ORC-Arbeitsmittels wird verlängert.

Die Abgase 38 des Dieselmotors 41 gelangen über einen Motorabgaskanal 39 in einen Abgassammler 49, welchem auch die Heißgase 35 aus dem Heißgaserzeuger 46 zugeführt werden.

Eine Wirkungsrad-Feinoptimierung erfolgt mit Hilfe eines Regelsystems 51 , welches in Abhängigkeit von der Turbinenleistung die Beaufschlagung der ersten überhitzerstufe 45.1 und die Brennstoffzufuhr 50 für den Heißgaserzeuger 46 regelt. Der Wirkungsgrad des Dieselmotor-Kraftwerkes wird durch die erfindungsgemäß kombinierte Heißgaserzeuger - ORC-Technologie von etwa 40% bis 42% auf 45% bis 52% angehoben.

Fig. 6 zeigt im Prinzip die Anlage gemäß Fig. 5 und weist für identische Merkmale dieselben Bezugszeichen auf. An Stelle des Zwangumlauf-Verdampfungssystems der Fig. 5 mit Arbeitsmittelverdampfer 43, Umwälzpumpe 37 und ORC-Ausdampftrommel 36 sind jedoch die Verdampfer-Wärmetauscherflächen 43 als Durchlaufverdampfer geschaltet. Auf diese Weise kann eine Optimierung der in Verbindung mit den Figuren 2 und 3 beschriebenen Pinch-Point (PP)-Situation und eine Senkung der Rauchgastemperatur in der Abgasleitung 53 erreicht werden.

Die Anlage gemäß Fig. 6 ermöglicht eine weitere Erhöhung des Wirkungsgrads eines ORC-Kraftwerkprozesses. Damit verbunden sind eine Verbesserung der Wirtschaftlichkeit und eine breitere Ausnutzung der zur Verfügung stehenden MT-, NT- und HT- Wärme.