Die Verwendung von Motoren zum Antrieb von Generatoren und damit zur Stromversorgung gehört dem Stand der Technik an und es ist ebenfalls bekannt, das Abgas aus Verbrennungsanlagen vor ihrer Einleitung in die Atmosphäre einem Abhitzekessel zuzuführen, soda neben der im Verbren- nungsraum freiwerdenden Energie die Energie des Abgases ebenfalls genutzt werden kann. Das im Abhitzekessel erhitzte Medium wird beispielsweise für Dampferzeugung oder für Fernwärmeversor- gung verwendet. Bei diesen herkömmlichen Verfahren werden Schadstoffe, insbesondere das Treib- hausgas CO2, in die Atmosphäre eingeleitet.

Es ist weiters aus der Literatur, wie aus N. Gasparovic, "Fluide und Kreisprozesse für Wärmekraftanla- gen mit gro en Einheitenleistungen", Brennstoff-Wärme-Kraft, Band 21, Nr. 7, Seite 347-394, Juli 1969, bekannt, für Kreisprozesse Kreislaufmedien wie Kohlendioxid CO2 zu verwenden, wobei geeig- nete Kreisprozesse, wie der Gohstjejn-Proze , in theoretischer Weise dargelegt werden.

Das erfindungsgemä e Verfahren hat es sich zur Aufgabe gestellt, aus fossilen gasförmigen oder flüssigen Brennstoffen oder aus künstlich hergestellten brennbaren Gasen oder Flüssigkeiten Energie, insbesondere elektrische Energie, zu gewinnen, wobei der Schadstoffaussto , insbesondere der CO2 Aussto , niedrig gehalten werden soll.

Das Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, da zur schadstoffarmen, insbesondere stickoxidarmen Energieerzeugung der Verbrennungsmotor mit einem Gemisch aus einem Teilstrom seines getrockne- ten Motorabgases und technischem Sauerstoff als Verbrennungsluft betrieben wird, die Wärme des Motorabgases in einem Abhitzekessel an einen Verbraucher übertragen wird, wobei der nicht für den Verbrennungsmotor bestimmte Teilstrom des Motorabgases einer Verflüssigung zugeführt wird. Da sich das CO2 bei relativ hohen Temperaturen verflüssigen lä t, können die nicht verflüssigbaren Ab- gaskomponenten abgezogen werden.

Neu an dieser Erfindung ist, da durch die Kombination von Motoren mit hohem Wirkungsgrad und Nutzung des Energieinhalts des Motorabgases ein hoher Gesamtwirkungsgrad erzielt wird und da durch die Verwendung eines Teilstroms des Motorabgases als inerter Bestandteil der Verbrennungsluft der Schadstoffaussto minimiert werden kann.

Die Erfindung besitzt die Ausführungsmöglichkeit, da die Wärme des Motorabgases in einem Abhit- zekessel an das Kreislaufmedium eines CO2-Kreislaufs übertragen wird, der durch den verbliebenen Teilstrom des getrockneten Motorabgases aus dem Motorkreislauf ergänzt wird. Dadurch wird der CO2-Gehalt im Kreislaufmedium des CO2-Kreislaufs hoch, was bei der Kondensation des CO2 vorteil- haft ist.

Im Anspruch 3 ist festgehalten, da für den CO2-Kreislauf und den Motorabgasstrom eine gemeinsame Kondensationsstufe für das CO2 vorgesehen ist, in welcher das überschüssige CO2 in flüssiger Form abgezogen und die nicht kondensierbaren Bestandteile ausgeschieden werden. Dadurch gelangt das CO2 nicht in die Atmosphäre und die nicht kondensierbaren Bestandteile verlassen den Kreislauf.

Ein weiteres Erfindungsmerkmal besagt, da der an den Verbrennungsmotor abgasseitig angeschlos- sene Abhitzekessel mit flüssigem, später rekuperativ erwärmtem und verdampftem CO2 gespeist wird.

Das Merkmal, da die im Abhitzekessel vom Kreislaufmedium des CO2-Kreislaufs aufgenommene Energie in unterschiedlichen, insbesondere zwei Temperaturstufen abgearbeitet wird, erlaubt eine bessere Ausnützung der Abwärme, da die einzelnen Turbinen für die jeweilige Temperatur ausgelegt werden können.

Das Verfahren soll anhand von Schaltbildern in vier Figuren beispielhaft beschrieben werden.

Fig. 1 zeigt ein Schaltbild mit Motor- und CO2-Kreislauf und Verflüssigung Fig. 2 zeigt ein Schaltbild mit einem Motor- und zwei Turbinen kreisläufen Fig. 3 zeigt ein Schaltbild mit einem Motorkreislauf und beliebigem Abgaswärme-Verbraucher Fig. 4 zeigt ein Schaltbild als Ausführungsvariante zu Fig. 3 mit einem CO2-Kreislauf als Abgaswärme- Verbraucher Im Motorkreislauf wird dem Verbrennungsmotor ein Gemisch von rezirkuliertem gasförmigem Motor- abgas und technischem Sauerstoff mit 90 bis 95% 02 zugeführt und mit dem gasförmigen oder flüssi- gen Brennstoff zur Verbrennung gebracht. Heutige Gasmotoren erreichen Wirkungsgrade von bis zu 40%, während Dieselmotore bis über 50% Wirkungsgrad erzielen. Beim Dieselmotor gelangen 20% und beim Gasmotor etwa 30% der Brennstoffwärme als Abwärme in den Kühlwasserkreislauf des Motors und können als Fernwärme genutzt werden. Die restlichen 30% der Brennstoffwärme sind im Abgas enthalten. Diese Abgaswärme wird beispielsweise in einem CO2-Kreislauf mit vorwiegend CO2 als Kreislaufmedium genutzt und in technische Arbeit umgewandelt.

In Fig. list eine erfindungsgemä e Anlage dargestellt, die aus einem Motorkreislauf und einem CO2- Kreislauf besteht, die miteinander verbunden sind. Der als Dieselmotor (3) ausgebildete Verbren- nungsmotor verfügt über eine Brennstoffwärmeleistung von rund 20 MWth und wird mit einem Sauer- stoffverhältnis von 2, was der doppelten stöchiometrischen Sauerstoffmenge für die Verbrennung ent- spricht, betrieben. Zu Verbrennung soll 95%iger technischer Sauerstoff herangezogen werden. Da- durch wird ein Wirkungsgrad von 50% bei praktisch ru freiem Abgas erzielt.

Der Dieselmotor (3) saugt von der Mischkammer (2) ein Gasgemisch an, das zu 50 vol% aus CO2, 44 vol% 02 und 6 vol% N2 besteht. Im Dieselmotor (3) werden 9 kg/s Gasgemisch mit 0,5 kg/s Diesel zur Verbrennung gebracht. Dabei setzt der Dieselmotor (3) technische Arbeit an der Kurbelwelle frei, die einen Stromgenerator (5) treibt. Weiters entsteht 9,5 kg/s Abgas mit einer Temperatur von ca. 580"C.

Das Motorabgas überträgt seine Wärme über den Wärmetauscher (4) an das CO2 des CO2-Kreislaufs und wird dabei auf 420"C abgekühlt. Ein weiterer Wärmetauscher (6), z.B. ein Fernwärmetauscher, kühlt das Motorabgas auf 1300C ab. Dadurch, da das in der Mischkammer (2) gebildete Gasgemisch kaum Stickstoff enthält, werden bei der Verbrennung praktisch keine oder nur sehr geringe Mengen von Stickoxiden freigesetzt, soda keine Sekundärma nahmen zur Entstickung notwendig sind.

Bei einem Einsatz von schwerölähnlichen Brennstoffen kann das Motorabgas von schwermetallhalti- gen Flugstäuben in einem Gewebe- oder Elektrofilter gereinigt werden. Vor diesen Filtern kann Schwefeldioxid z.B. durch Eindüsen von Kalziumhydroxid eingebunden werden. Dabei müssen die Abgastemperaturen den jeweiligen Entschwefelungsverfahren entsprechend eingestellt werden (z.B.

mit Hilfe von Abgaskühlern und/oder Wassereindüsung).

Um das im Motorabgas enthaltene Wasser (ca. 0,5 kg/s stammen aus der Verbrennung) abzuschei- den, wird das Motorabgas mit Hilfe eines Gaskühlers (10) auf ca. 20"C abgekühit und das kondensier- te Verbrennungswasser im Abscheider (9) vom Motorabgas getrennt. Da Dieselkraftstoffe Schwefel enthalten und keine 100%ige Entschwefelung erzielt werden kann, mu der Gaskühler (10) aus rost- freiem und säurebeständigem Material gefertigt werden.

Ein Teilstrom des getrockneten Motorabgases, nämlich genau soviel, um das bei der Verbrennung entstandene CO2 und über den technischen Sauerstoff eingebrachten Stickstoff aus dem Kreislauf abzuführen, wird mittels Kompressor (12) auf 61 bar komprimiert und dem CO2-Kreislauf zugeführt.

Dabei handelt es sich um einen Motorabgas-Massenstrom von ca. 2 kg/s. Der im Motorkreislauf ver- bleibende Motorabgas-Massenstrom von 7 kg/s wird mit ca. 2 kg/s technischem (95%igem) Sauerstoff in der Mischkammer (2) vermischt und vom Dieselmotor (3) angesaugt.

Um die Abwärme des Motorabgases zu nutzen, wird ein CO2-Kreislauf nachgeschaltet, in dem CO2 als Arbeitsfluid eingesetzt wird. Zur Verwirklichung der Erfindung soll beispielsweise ein ,,Gohstjejn- Proze " verwendet werden. Dieser trägt besonders zu einer Verbesserung des Wirkungsgrads bei. Zur Erhöhung des Wirkungsgrades können auch andere bekannte Kreisläufe, wie in der Literatur ange- führt, zur Verwendung kommen. Bei kleineren Anlagen können statt Turbinen (7) auch z.B. Drehkol- ben- oder Schraubenkolbenentspannungsmaschinen eingesetzt werden.

Im CO2-Kreislauf werden ca. 9 kg/s flüssiges CO2 mit einer Speisepumpe (14) auf 210 bar komprimiert und dabei auf ca. 45"C erwärmt. In einem Wärmetauscher (13) überträgt das aus dem Wärmetauscher (11) austretende und mit dem Motorabgas-Teilstrom vermischte CO2 seine Wärme auf das flüssige, unter Druck stehende CO2. Dadurch wird der Pseudophasenwechsel (flüssig-gasförmig) herbeigeführt und das CO2 auf 140"C erhitzt. In einem weiteren Wärmetauscher (11) überträgt das Turbinenabgas seine Wärme auf das Hochdruck-CO2 und erhitzt dieses auf ca. 390"C. Ein dritter Wärmetauscher (4) überträgt die Wärme des aus dem Motor austretenden Motorabgases auf das gasförmige Hochdruck- CO2 und erhitzt dieses auf ca. 550"C.

In einer den heutigen Hochdruck-Dampfturbinenstufen ähnlichen Turbine (7) wird das unter 200 bar Druck stehende und auf 550"C erhitzte CO2 auf ca. 61 bar entspannt und dabei auf ca. 425"C abge- kühlt. Die freiwerdende mechanische Arbeit treibt einen Stromgenerator (8) an. In einem Wärmetau- scher (11) überträgt das aus der Turbine austretende CO2 seine Wärme rekuperativ auf das verdampf- te, unter Hochdruck stehende CO2 und wird dabei auf ca. 165"C abgekühlt. Der aus dem Motorkreis- lauf stammende, mit Hilfe eines zweistufigen, zwischengekühlten Kompressors (12) auf 61 bar kom- primierte und dadurch auf ca. 165"C erwärmte Teilstrom wird vor dem Wärmetauscher (13) mit dem Turbinenabgas (CO2) gemischt und so dem CO2-Kreislauf zugeführt. Im Wärmetauscher (13) wird die Wärme des CO2-Abgasgemisches auf das flüssige Hochdruck-CO2 übertragen und verdampft. Im Kondensator (15) wird das CO2-Abgasgemisch auf 20"C abgekühlt und das CO2 verflüssigt.

Nicht kondensierbare Gase, die aus dem Teilstrom vom Motorabgas stammen, wie Stickstoff, Sauer- stoff, Stickoxide, Schwefeldioxid, unverbrannte Kohlenwasserstoffe usw. werden gasförmig über den Gasausla (16) des Kondensators (15) aus dem Kreislauf ausgeschieden und, falls notwendig, gerei- nigt und zusammen mit dem aus der Sauerstoffgewinnung stammenden Stickstoff in die Atmosphäre geleitet. Durch die Drosselung der nicht kondensierbaren Gase auf Atmosphärendruck werden diese auf unter -50°C abgekühit und können zusätzlich zur Kondensation des CO2 herangezogen werden (Nutzung des Joule-Thompson Effekts).

Das bei der Verbrennung im Dieselmotor (3) entstehende CO2 wird in flüssiger, also verkaufsfähiger Form dem CO2-Kreislauf entnommen und kommt entweder einer weiteren Verwendung zu oder wird deponiert. Als CO2-Deponien können z.B. erschöpfte Erdöl- oder Erdgaslagerstätten in Betracht gezo- gen werden.

Bei einem derartigen Proze wird eine elektrische Leistung von rund 10 MWe vom Motorproze und ca. 1,1 MWe vom Turbinenproze gewonnen. Der elektrische Eigenenergieverbrauch zur Produktion von technischem Sauerstoff, für Kompressor (12) und Speisepumpe (14) beläuft sich auf ca. 2,9 MWe.

Bei einer Brennstoffwärmeleistung von 20 MWe wird somit ein elektrischer Anlagenwirkungsgrad von über 40% erzielt. Dieser Wirkungsgrad kann auf über 45% gesteigert werden, indem ein weiterer CO2- Kreislauf zugeschaltet wird, wie in Fig. 2 dargestellt ist.

In Fig. 2 ist im Vergleich zu Fig. 1 ein zweiter CO2-Kreislauf mit einer zweiten Turbine (7') dargestellt.

Der ursprüngliche CO2-Kreislauf, der vom Wärmetauscher (13) über Wärmetauscher (11) zu Wärme- tauscher (4) und dann zur Turbine (7) führt, wird durch einen zweiten CO2-Kreislauf erweitert, der vom Wärmetauscher (13) zum Wärmetauscher (6) und anschlie end zur zweiten Turbine mit niedrigerer Eintrittstemperatur (7') führt. Das Abgas beider Turbinen (7, 7') wird wieder dem Abgas, das dem Wärmetauscher (13) zugeführt wird, beigegeben.

In Fig. 3 ist eine kleine Anlage dargestellt, wo, um die Investitionskosten zu senken, auf die Nutzung der Motorabwärme zur Erzeugung elektrischer Energie verzichtet und statt dessen nur die Wärme als Fernwärme genutzt wird. Der elektrische Wirkungsgrad solcher Anlagen liegt bei 35%.

Eine weitere Schaltungsmöglichkeit ist in Fig. 4 dargestellt, die motorseitig der Fig. 3 entspricht. In Fig.

4 ist der CO2-Kreislauf vollständig vom Motorkreislauf entkoppelt. Das hat den Vorteil, da der CO2- Proze geschlossen ist (100% reines CO2 als Arbeitsfluid), jedoch mu der aus dem Motorkreislauf abgezweigte Motorabgasstrom auf ca. 80 bar komprimiert werden, um das CO2 zu verflüssigen. Wei- ters werden bei dieser Schaltung zwei Kondensatoren (15,15') benötigt. Der Kondensator (15') im CO2-Kreislauf ist ohne Gasausla (16) ausgebildet. Zur Erhöhung des Wirkungsgrades kann, wie oben erwähnt, ebenfalls eine zweite Turbine (7') zugeschaltet werden. Anstelle des CO2-Kreislaufes kann auch ein konventioneller Wasser/Dampf-Kreislauf zur Nutzung der Abgaswärme verwendet werden.

Der Vorteil eines gemeinsamen Kondensators (15), wie in den Fig. 1-3 dargestellt, liegt darin, da der CO2-Gehalt des Gasgemisches aus beiden Kreisläufen so hoch ist, da der Kompressordruck geringer ist als bei getrocknetem Motorabgas, wodurch die Betriebskosten geringer werden und der Wirkungs- grad wegen der niedrigeren Kondensationstemperatur steigt.