Abwärme-Kraftanlage mit stufenweiser Wärmezufuhr Technisches Gebiet

Die vorliegende Erfindung betrifft ein System zum Koppeln von Kreisprozessen. Ferner betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Koppeln von Kreisprozessen.

Hintergrund der Erfindung

Moderne Abwärme-Kraftanlagen, beispielsweise Organic Rankine Cycle (ORC) Anlagen benötigen eine Wärmezufuhr, um eine Zu- standsänderung des Kreislaufmediums , beispielsweise des ORC Mediums zu erreichen und somit eine Energieumwandlung in einer Expansionsmaschine zu ermöglichen. Diese Wärmezufuhr erfolgt dabei oft im Gegenstrom zum wärmeführenden Medium, um den Wärmeinhalt möglichst gut nutzen zu können.

Eine Kopplung einer Dampfturbine und einer ORC Anlage wird gerade in Fällen verwendet, wenn das Arbeitsfluid der Dampf ^¬ turbine am Auslass der Dampfturbine noch eine ausreichend ho ^¬ he Temperatur und somit ausreichend Wärmeenergie zum Betrei ^¬ ben einer ORC Anlage aufweist, welche grundsätzlich ein zur Verfügung stehendes geringeres Temperaturgefälle zwischen Wärmequelle und Wärmesenke benötigt als eine mit Wasserdampf angetriebene Dampfturbine.

Bei der Kopplung erfolgt die Wärmezufuhr an die ORC Anlage aus dem Dampfturbinenprozess bei einem bestimmten Zustand des Arbeitsfluides , beispielsweise bei einem vorgegebenen Druck oder einer vorgegebenen Temperatur, durch Nutzung der Kondensationsenthalpie, beispielsweise am Ende der Dampfturbinenex- pansion. Hierbei unterscheiden sich die Temperatur des Ar- beitsfluides der Dampfturbine und die Temperatur des Arbeits- fluides der ORC Anlage. Mit anderen Worten wird die Dampftur- bine auf einem höheren Temperaturniveau betrieben als die ORC Anlage .

Fig. 3 zeigt beispielsweise die Temperatur als Funktion der Wärmemenge zum einen eines Wärmeträgers 310 (als gestrichelte Linie dargestellt) , wie beispielsweise ein Abgas, und zum an ^¬ deren die Temperatur des Arbeitsfluides der ORC Anlage 320 (als durchgehende Linie dargestellt) . Diese in Fig. 3 gezeig ^¬ ten Temperaturen stellen die im ORC Prozess erreichbare End- temperatur dar.

Der Wärmeträger wie beispielsweise ein Abgas, weist bei jeder Wärmemenge eine höhere Temperatur auf als das ORC Arbeits- fluid .

Fig. 4 zeigt beispielhaft einen Verlauf der Kondensation von Wasserdampf 410 (als gestrichelte Linie dargestellt) , wobei die Temperatur in Grad Celsius als Funktion der Wärmemenge in Joule aufgetragen ist. Zusätzlich ist ein Verlauf der Tempe- ratur eines Arbeitsfluides einer ORC Anlage 420 (als durchge ^¬ hende Linie dargestellt) gezeigt, wobei ebenfalls die Tempe ^¬ ratur in Grad Celsius als Funktion der Wärmemenge aufgetragen ist. Zusätzlich ist an einer beispielhaften Stelle gezeigt, dass die Temperatur der Kondensation von Wasserdampf, welcher als Arbeitsfluid verwendet wird, sehr viel höher liegt als die Temperatur des Arbeitsfluides der ORC Anlage, so dass diese Differenz einen Verlust von Arbeitsfähigkeit, einen so ^¬ genannten Exergieverlust 430, darstellt. Der Exergieverlust beruht auf der Temperaturdifferenz zwischen dem kondensierten Wasserdampf und der Temperatur des ORC Mediums.

Darstellung der Erfindung

Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Wir- kungsgrad miteinander gekoppelter Kreisprozesse zu erhöhen. Diese Aufgabe wird mit einem System zum Koppeln von Kreispro ^¬ zessen und mittels eines Verfahrens zum Koppeln von Kreispro ^¬ zessen gemäß den unabhängigen Ansprüchen gelöst. Gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein System zum Koppeln von Kreisprozessen beschrieben. Das System weist einen ersten Kreisprozess und einen zweiten Kreispro- zess auf. Der erste Kreisprozess weist eine erste Turbine auf und ist mit einem ersten Arbeitsfluid betreibbar. Der zweite Kreisprozess weist eine zweite Turbine auf und ist mit einem zweiten Arbeitsfluid betreibbar. Ferner weist das System eine erste Koppelstelle an der ersten Turbine und eine zweite Kop ^¬ pelstelle in dem zweiten Kreisprozess stromaufwärts eines Einlasses der zweiten Turbine auf, wobei die zweite Koppel- stelle mit der ersten Koppelstelle derart gekoppelt ist, dass Wärmeenergie von dem ersten Arbeitsfluid auf das zweite Ar ^¬ beitsfluid übertragbar ist. Das System weist ferner eine dritte Koppelstelle an der ersten Turbine auf, wobei die dritte Koppelstelle stromaufwärts von der ersten Koppelstelle angeordnet ist, und weist ferner eine vierte Koppelstelle in dem zweiten Kreisprozess stromabwärts der zweiten Koppelstel ^¬ le und stromaufwärts des Einlasses der zweiten Turbine auf. Die vierte Koppelstelle ist mit der dritten Koppelstelle der ^¬ art gekoppelt, dass Wärmeenergie von dem ersten Arbeitsfluid auf das zweite Arbeitsfluid übertragbar ist.

Der Kreisprozess ist insbesondere ein thermodynamischer

Kreisprozess. Beispielsweise kann der Kreisprozess ein Dampf- turbinenkreisprozess , ein Organic Rankine Kreisprozess oder ein C0 ₂ -Kreisprozess sein. Der Kreisprozess stellt insbeson ^¬ dere ein geschlossenes System dar, in welchem eine Folge von Zustandsänderungen eines Arbeitsfluides periodisch hinterei ^¬ nander ablaufen. Dabei wird immer wieder, insbesondere einmal pro Prozessdurchlauf, ein Ausgangszustand erreicht, welcher durch die in ihm herrschenden Zustandsgrößen des Arbeitsflui- des gekennzeichnet ist. Typische Zustandsgrößen, welche im Kreisprozess von Bedeutung sind, sind insbesondere Dichte, Temperatur oder Druck des Arbeitsfluides . Im Kreisprozess wird Wärmeenergie in Arbeit umgewandelt, indem dem Arbeits- fluid Wärme (bzw. Energie) zugeführt wird, welches anschlie ^¬ ßend in der Turbine entspannt und die Turbine antreibt. In der Turbine wird ein Teil der Wärmeenergie des Arbeitsfluides in kinetische Energie umgewandelt und eine Turbinenwelle an ^¬ getrieben. Die kinetische Energie der Turbinenwelle wird zur weiteren Umwandlung bzw. Verwendung, insbesondere an einen Generator, bereitgestellt. Nach dem Durchlaufen der Turbine wird dem Arbeitsfluid Wärme entzogen, beispielsweise in einem Kondensator, Enthitzer, Wärmetauscher oder einem Rekuperator. Somit steht das Arbeitsfluid wieder für einen erneuten Durchlauf des Kreisprozesses zur Verfügung.

Der Kreisprozess weist immer zumindest ein Arbeitsfluid sowie eine Turbine auf.

Der erste Kreisprozess kann mit einem anderen Energieniveau als der zweite Kreisprozess betrieben werden. Der erste

Kreisprozess und der zweite Kreisprozess sind z.B. derart un- terschiedlich voneinander ausgebildet bzw. mit unterschiedli ^¬ chen Arbeitsfluiden betreibbar, dass der erste Kreisprozess und der zweite Kreisprozess unterschiedliche Energie- bzw. Temperaturniveaus der entsprechenden Arbeitsfluide aufweisen. Der erste Kreisprozess bzw. dessen erstes Arbeitsfluid über- trägt mittels Koppeins Wärmeenergie auf den zweiten Kreispro ^¬ zess bzw. dessen zweites Arbeitsfluid, wenn der erste Kreis ^¬ prozess auf einem höheren Energieniveau, d.h. mit einer höhe ^¬ ren Minimaltemperatur des ersten Arbeitsfluides , betrieben wird als das Energieniveau des zweiten Kreisprozesses bzw. als eine Maximaltemperatur des zweiten Arbeitsfluides .

Das erste und/oder zweite Arbeitsfluid besteht insbesondere aus Wasser, einem organischen Medium, Ammoniak, CO ₂ oder überkritischen CO ₂ . Das Arbeitsfluid wird je nach Anwendungs- zweck, insbesondere nach Art der verwendeten und damit be ^¬ triebenen Turbine ausgewählt. Der Zustand, insbesondere der thermische Zustand (beschrieben durch Druck, Temperatur und Dichte) oder der Aggregatzustand, des Arbeitsfluides ändert sich während eines Prozessdurchlaufes . Jedoch liegt nach ei ^¬ nem gesamten Prozessdurchlauf der ursprüngliche Aggregatzu ^¬ stand wieder vor. Organische Medien sind alle für ORC-Kreisläufe geeigneten

Fluide wie z. B. Alkane, Alkene, Cyclo-Alkane, Alkohole, or ^¬ ganische Säuren, Ester, Aromaten, Kältemittel, Chlorkohlenwasserstoffe, Fluorkohlenwasserstoffe, Silikonöle, sowie ihre Verbindungen und Derivate.

Das erste Arbeitsfluid und das zweite Arbeitsfluid können identisch sein. Dann sind der erste Kreisprozess und der zweite Kreisprozess von derselben Art, insbesondere jeweils ein Dampfturbinenkreislauf oder ein ORC Kreislauf. Beide Kreisprozesse können bei unterschiedlichen Temperaturen betrieben werden. Vorzugsweise sind das erste Arbeitsfluid und das zweite Arbeitsfluid unterschiedliche Fluide, wie bei ^¬ spielsweise Wasser im ersten Kreisprozess, insbesondere einem Dampfturbinenkreisprozess , und einem organischen Medium im zweiten Kreisprozess, insbesondere einem ORC Kreisprozess.

Werden zwei unterschiedliche Arbeitsfluide verwendet, unter ^¬ scheidet sich das erste Arbeitsfluid dadurch vom zweiten Ar ^¬ beitsfluid, dass das erste Arbeitsfluid eine andere Minimal ^¬ temperatur aufweist als eine Maximaltemperatur des zweiten Arbeitsfluides .

Die erste Turbine oder die zweite Turbine ist insbesondere eine Dampf-, ORC- oder C02~Turbine. Die erste Turbine weist eine Mehrzahl von Turbinenstufen auf, welche jeweils aus Stator und Rotor bestehen, und die zweite Turbine weist min ^¬ destens eine Turbinenstufe auf. Das Arbeitsfluid strömt durch die Turbinenstufen, entspannt dabei, wodurch die Rotoren angetrieben werden. Dem Fluidstrom wird durch die Umströmung der Turbinenschaufeln ein Teil seiner inneren Energie entzo- gen, der auf die Laufschaufeln der Turbine übergeht. Über diese wird dann eine Turbinenwelle in Drehung versetzt, die nutzbare Leistung z.B. an eine angekuppelte Arbeitsmaschine, wie beispielsweise an einen Generator, abgibt. Die Koppelstelle bildet die thermische Verbindung bzw. Kopp ^¬ lung zwischen dem ersten Kreisprozess und dem zweiten Kreis- prozess. Die Koppelstelle ist im ersten Kreisprozess oder im zweiten Kreisprozess angeordnet. Beispielsweise kann die Kop ^¬ pelstelle in der Turbine oder außerhalb der Turbine angeord ^¬ net sein. Die Koppelstellen bilden Stellen im Kreisprozess, an welchen thermische Energie dem jeweiligen Arbeitsfluid entnommen oder zugeführt wird.

Die erste Koppelstelle und die dritte Koppelstelle sind ins ^¬ besondere derart ausgebildet, dass an ihnen das erste Ar ^¬ beitsfluid aus der ersten Turbine ausströmen und direkt in einen Wärmetauscher oder in eine Leitung einströmen kann. Durch die Leitung strömt z.B. das erste Arbeitsfluid zwischen der ersten Koppelstelle des ersten Kreisprozesses zur zweiten Koppelstelle des zweiten Kreisprozesses bzw. von der dritten Koppelstelle des ersten Kreisprozesses zur vierten Koppel ^¬ stelle des zweiten Kreisprozesses. Die zweite Koppelstelle und die vierte Koppelstelle sind z.B. als Wärmetauscher aus ^¬ gebildet. Somit wird jeweils an der zweiten Koppelstelle und der vierten Koppelstelle Wärmeenergie vom ersten Arbeitsfluid mittels des entsprechenden Wärmetauschers auf das zweite Ar ^¬ beitsfluid übertragen.

Die erste Koppelstelle ist an der ersten Turbine angeordnet, insbesondere in der stromabwärtigen Hälfte der Turbine, z.B. am Auslass der ersten Turbine. Besonders vorteilhaft ist es, wenn die erste Koppelstelle an oder nach der letzten Turbi- nenstufe der ersten Turbine bzw. am Auslass der ersten Turbi ^¬ ne angeordnet ist. Zusätzlich ist die erste Koppelstelle stromabwärts der dritten Koppelstelle angeordnet.

Die dritte Koppelstelle ist an der ersten Turbine stromauf- wärts der ersten Koppelstelle angeordnet. Die dritte Koppel ^¬ stelle ist insbesondere an der stromabwärtigen Hälfte der ersten Turbine angeordnet. Die erste Koppelstelle und die dritte Koppelstelle können identisch ausgebildet sein, wobei an der dritten Koppelstelle eine höhere Temperatur sowie ein höherer Druck des Arbeitsfluides herrschen als an der ersten Koppelstelle, da die erste Koppelstelle in Strömungsrichtung stromabwärts im Vergleich zu der dritten Koppelstelle ange- ordnet ist.

Die stromabwärtige Hälfte der Turbine ist diejenige Hälfte der Turbine, welche die in Strömungsrichtung des Arbeitsflui- des gesehen, hintere Hälfte der Turbine ist.

Die zweite Koppelstelle ist an einer Stelle im zweiten Kreis- prozess stromaufwärts bzgl. einer Strömungsrichtung des zwei ^¬ ten Arbeitsfluids des Einlasses der zweiten Turbine angeord ^¬ net. Somit wird das zweite Arbeitsfluid vor dem Eintritt in die zweite Turbine mittels der höheren Temperatur des ersten Arbeitsfluides über den Wärmetauscher vorgewärmt. Dabei kom ^¬ men das erste Arbeitsfluid und das zweite Arbeitsfluid an der zweiten Koppelstelle, sowie ebenfalls an der vierten Koppel ^¬ stelle, nicht in direkten physikalischen Kontakt miteinander.

Die vierte Koppelstelle ist in dem zweiten Kreisprozess stromabwärts der zweiten Koppelstelle und gleichzeitig strom ^¬ aufwärts bezüglich einem Einlass der zweiten Turbine angeord ^¬ net, d.h. zwischen der zweiten Koppelstelle und dem Einlass der zweiten Turbine. Die vierte Koppelstelle ist ebenfalls als Wärmetauscher, insbesondere identisch zur zweiten Koppelstelle ausgebildet. Jedoch weist das erste Arbeitsfluid an der vierten Koppelstelle eine höhere Temperatur und einen hö ^¬ heren Druck auf als an der zweiten Koppelstelle, so dass das zweite Arbeitsfluid, welches bereits an der zweiten Koppel ^¬ stelle Wärmeenergie von dem ersten Arbeitsfluid aufgenommen hat, weiter erwärmt werden kann.

Die erste Koppelstelle und die dritte Koppelstelle bzw. die zweite Koppelstelle und die vierte Koppelstelle sind derart gekoppelt, dass Wärmeenergie von dem ersten Arbeitsfluid auf das zweite Arbeitsfluid übertragbar ist. Ein derartiges Kop ^¬ peln wird insbesondere mittels Wärmetauschern umgesetzt, in welchen die ersten und zweiten Arbeitfluide Wärme austau ^¬ schen .

Gemäß der vorliegenden Erfindung erfolgt eine Wärmezufuhr von dem ersten Arbeitsfluid des ersten Kreisprozesses zu dem zweiten Arbeitsfluid des zweiten Kreisprozesses stufenweise, um die sich unterscheidenden Temperaturniveaus der Arbeits- fluide besser auszunutzen. Diese stufenweise Zufuhr erfolgt insbesondere durch Entnahme des ersten Arbeitsfluides , wel- ches zumindest in Sattdampftemperatur an der ersten oder dritten Koppelstelle vorliegt, so dass ein Exergieverlust verringert werden kann.

Diese stufenweise Wärmezufuhr zum ORC Prozess führt bei- spielsweise dazu, dass die jeweilige Wärmeenergie der ver ^¬ schiedenen Temperaturniveaus im Dampfturbinenprozess besser nutzbar ist.

In einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Er- findung wird die erste Koppelstelle an dem Auslass der ersten Turbine angeordnet.

Der Auslass ist insbesondere als Abdampf- bzw. Gegendruckstutzen ausgebildet. Am Auslass der ersten Turbine herrschen bereits eine relativ niedrige Temperatur sowie ein relativ niedriger Druck. Somit ist die Wärmeenergie, welche in der Turbine noch in kinetische Energie umwandelbar ist, gering. Ferner ist es daher vorteilhaft die noch im ersten Arbeits ^¬ fluid verbleibende Wärmeenergie, welche an der ersten Koppel- stelle höher ist als die Wärmeenergie des zweiten Arbeits- fluides des zweiten Kreisprozesses an der zweiten Koppelstel ^¬ le, auf das zweite Arbeitsfluid zu übertragen. Beispielsweise kann ein Anteil des ersten Arbeitsfluides aus der ersten Tur ^¬ bine (z.B. an einem am Gegendruckstutzen der ersten Turbine) ausströmen und zu einem Wärmetauscher, z.B. über eine erste Leitung, zur zweiten Koppelstelle strömen. Gemäß einer weiteren beispielhaften Ausführungsform ist die erste Turbine eine Dampfturbine und der erste Kreisprozess ein Dampfturbinenprozess . In einem Dampfturbinenprozess wird Wasser als Arbeitsfluid verwendet, welches mittels eines Verdampfers verdampft und anschließend einer Dampfturbine zugeführt wird. Hinter der Dampfturbine wird der Wasserdampf in einem Kondensator kondensiert. Ein Dampfturbinenprozess bietet den Vorteil, dass Wasser gut verfügbar sowie gut lagerbar ist. Weiterhin erreichen Dampfturbinenprozesse gute Wirkungsgrade bei hohen Pro ^¬ zesstemperaturen .

In noch einer weiteren beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist die zweite Turbine eine Organic Rankine Turbine und der zweite Prozess ist ein Organic

Rankine Prozess (ORC) . Im Organic Rankine Prozess wird eine Turbine mit einem anderen Fluid als Wasserdampf, insbesondere einer organischen Flüssigkeit mit einer niedrigen Verdamp- fungstemperatur, betrieben. Der Organic Rankine Prozess bietet den Vorteil, dass ein niedriges Temperaturgefälle aus ^¬ reicht, um ihn zu betreiben. Als Arbeitsfluide dienen insbe ^¬ sondere organische Medien, z. B. Isopentan oder ein

Silikonöl .

Werden als erster Kreisprozess ein Dampfturbinenprozess und als zweiter Kreisprozess ein ORC Prozess miteinander gekop ^¬ pelt, weist der ORC Prozess ein niedrigeres Temperaturniveau auf als der Dampfturbinenprozess , d.h. das erste Arbeitsfluid in dem Dampfturbinenprozess weist insbesondere höhere Tempe ^¬ raturen auf als das zweite Arbeitsfluid des ORC Prozess. So ^¬ mit kann die Wärmeenergie, welche am Ausgang der Dampfturbine noch im Wasserdampf enthalten ist, auf das Arbeitsfluid, bei ^¬ spielsweise Isopentan, des ORC Prozesses übertragen werden und in der ORC Turbine weiter in kinetische Energie umgewan ^¬ delt werden. Somit wird mittels des Einsatzes des ORC Prozes ^¬ ses der Wirkungsgrad des Systems gesteigert. Es hat sich als vorteilhaft erwiesen, derzeitige wirkungsgradsteigernde Maß- nahmen von ORC-Kreisläufen, wie Rekuperatoren, auch hier zu verwenden .

Gemäß einer weiteren beispielhaften Ausführungsform ist die zweite Turbine mit CO2 , insbesondere überkritischen CO2 betreibbar .

CO2 als Arbeitsfluid kann beispielsweise aus Abgasen anderer Anlagen entnommen werden. Ferner hat die Verwendung von CO2 , als Arbeitsfluid den Vorteil, dass es preiswert und nicht entflammbar ist.

Überkritisches CO2 wird in der Industrie, vor allem als Ex ^¬ traktionsmittel, immer verbreiteter verwendet. In neueren System hat überkritisches CO2 als Fluid in Turbinen zur

Stromspeicherung und Stromerzeugung an Bedeutung gewonnen. Dies liegt insbesondere an seiner leichten Verfügbarkeit, seiner Ungiftigkeit sowie daran, dass sich seine Dichte in einem relativ breiten Bereich einstellen lässt.

Die zweite Turbine wird beispielsweise entweder mit CO2 bzw. überkritischem CO2 betrieben oder es wird eine ORC Turbine in einem ORC Kreisprozess verwendet. Auch noch weitere Arbeits- fluide wie beispielsweise Ammoniak oder andere organische und anorganische Fluide sind als zweites Arbeitsfluid verwendbar.

In einer weiteren beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weist das System ferner eine fünfte Koppelstelle an der ersten Turbine und eine sechste Koppelstelle in dem zweiten Kreisprozess auf. Die fünfte Koppelstelle ist stromaufwärts der dritten Koppelstelle angeordnet. Ferner ist die sechste Koppelstelle stromabwärts der vierten Koppelstel ^¬ le und stromaufwärts des Einlasses der zweiten Turbine ange ^¬ ordnet und mit der fünften Koppelstelle derart gekoppelt, dass Wärmeenergie von dem ersten Arbeitsfluid auf das zweite Arbeitsfluid übertragbar ist. Die fünfte Koppelstelle kann baugleich zu der ersten Koppel ^¬ stelle bzw. zur dritten Koppelstelle ausgebildet werden und kann stromaufwärts der dritten Koppelstelle in der

stromabwärtigen oder in der stromaufwärtigen Hälfte der ers- ten Turbine angeordnet werden.

Die sechste Koppelstelle kann baugleich zur zweiten Koppel ^¬ stelle bzw. zur vierten Koppelstelle ausgebildet werden und kann in dem zweiten Kreisprozess stromabwärts der vierten Koppelstelle der zweiten Koppelstelle angeordnet werden.

An der sechsten Koppelstelle weist das zweite Arbeitsfluid eine höhere Temperatur auf als an der vierten Koppelstelle bzw. der zweiten Koppelstelle. Dies beruht darauf, dass dem zweiten Arbeitsfluid bereits an der zweiten Koppelstelle Wär ^¬ meenergie und an der vierten Koppelstelle erneut Wärmeenergie zugeführt wird. An der fünften Koppelstelle weist das erste Arbeitsfluid ebenfalls eine höhere Wärmeenergie auf als an der ersten Koppelstelle bzw. der dritten Koppelstelle. Dies liegt im ersten Kreisprozess daran, dass die fünfte Koppel ^¬ stelle stromaufwärts sowohl von der dritten Koppelstelle als auch von der ersten Koppelstelle und somit in einer stromauf ^¬ wärts gelegenen Druckstufe der ersten Turbine (z.B. einer Niederdruckturbine) angeordnet ist. Das Bereitstellen der zu- sätzlichen fünften Koppelstelle und sechsten Koppelstelle hat den Vorteil, dass das erste Arbeitsfluid und das zweite Ar ^¬ beitsfluid an der zweiten Koppelstelle, der vierten Koppel ^¬ stelle und der sechsten Koppelstelle jeweils einen geringen Temperaturunterschied zu dem ersten Arbeitsfluid an den je- weiligen korrespondierenden Koppelstellen aufweist, so dass der jeweilige Exergieverlust an jeder der Koppelstellen ge ^¬ ringer ist, als wenn die gesamte Wärmeenergie in einem

Schritt übertragen werden würde. Wird die Wärmeenergieübertragung in immer kleinere Schritte unterteilt führt dies zu einem immer geringeren

Exergieverlust pro Schritt. Deshalb können auch noch weitere Koppelstellen an der ersten Turbine sowie noch weitere Koppelstellen im zweiten Kreisprozess vorgesehen werden.

Gemäß einer weiteren beispielhaften Ausführungsform weist die zweite Koppelstelle und/oder die vierte Koppelstelle einen

Wärmetauscher auf, in welchem Wärmeenergie von dem ersten Ar- beitsfluid auf das zweite Arbeitsfluid übertragbar ist.

In einem Wärmetauscher wird insbesondere Wärmeenergie von ei- nem Medium (z.B. dem ersten Arbeitsfluid) auf ein anderes Me ^¬ dium (z.B. dem zweiten Arbeitsfluid) ohne tatsächlichen physikalischen Kontakt der zwei Medien miteinander übertragen.

Die Wärmetauscher (z.B. Platten- oder Rohrbündelwärmetau- scher) bieten den Vorteil, dass eine physikalische Vermi ^¬ schung des ersten Arbeitsfluides mit dem zweiten Arbeitsfluid an der zweiten Koppelstelle und/oder der vierten Koppelstelle unterbunden ist. Somit können unterschiedliche Arbeitsfluide, auch derartige, welche bei Kontakt miteinander reagieren oder sich vermischen würden, verwendet werden. Dies hat den Vorteil, dass die beiden Kreisläufe auf die individuellen Anfor ^¬ derungen des Anwendungsfalls anpassbar sind.

In einer weiteren beispielhaften Ausführungsform der vorlie- genden Erfindung sind der erste Kreisprozess und der zweite

Kreisprozess derart konfiguriert, dass das erste Arbeitsfluid (zumindest an der ersten, dritten und/oder fünften Koppelstelle) eine (Minimal-) Temperatur aufweisen kann, welche hö ^¬ her ist als eine (Maximal- bzw. Minimal-) Temperatur des zweiten Arbeitsfluides (zumindest an der zweiten, vierten und/oder sechsten Koppelstelle) .

Die Minimaltemperatur ist die minimale Temperatur, welche das Arbeitsfluid beim Durchströmen des (ersten) Kreisprozesses annimmt. Die Maximaltemperatur ist die maximale Temperatur, welche das Arbeitsfluid beim Durchströmen des (zweiten)

Kreisprozesses annimmt. Das erste Arbeitsfluid des ersten Kreisprozesses weist z.B. ein höheres Temperaturniveau auf als das zweite Arbeitsfluid des zweiten Kreisprozesses und ein Übertragen von Wärmeenergie vom ersten Kreisprozess auf den zweiten Kreisprozess ist ermöglicht. Gemäß einer weiteren beispielhaften Ausführungsform sind der erste Kreisprozess und der zweite Kreisprozess derart konfi ^¬ guriert, dass das erste Arbeitsfluid einen niedrigeren Mini ^¬ maldruck aufweisen kann als das zweite Arbeitsfluid. Der Minimaldruck ist der minimale Druck, welchen das Arbeitsfluid beim Durchströmen des Kreisprozesses annimmt. Somit kann der erste Kreisprozess mit einem ersten Arbeitsfluid be ^¬ trieben werden, welches unterschiedlich zum zweiten Arbeitsfluid ist.

Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum Koppeln von Kreisprozessen beschrieben. Ein erster Kreisprozess mit einer ersten Turbine wird bereitge ^¬ stellt, wobei der erste Kreisprozess mit einem ersten Ar- beitsfluid betreibbar ist. Ferner wird ein zweiter Kreispro ^¬ zess mit einer zweiten Turbine bereitgestellt, wobei der zweite Kreisprozess mit einem zweiten Arbeitsfluid betreibbar ist. Der erste Kreisprozess wird mit dem zweiten Kreisprozess derart gekoppelt, dass Wärmeenergie von dem ersten Arbeits- fluid auf das zweite Arbeitsfluid übertragbar ist. Ferner wird eine erste Koppelstelle in dem ersten Kreisprozess, ins ^¬ besondere an einem Auslass der ersten Turbine, mit einer zweiten Koppelstelle in dem zweiten Kreisprozess stromauf ^¬ wärts eines Einlasses der zweiten Turbine gekoppelt. Zusätz- lieh wird eine dritte Koppelstelle an der ersten Turbine mit einer vierten Koppelstelle in dem zweiten Kreisprozess gekop ^¬ pelt. Die dritte Koppelstelle ist stromaufwärts von der ers ^¬ ten Koppelstelle angeordnet und die vierte Koppelstelle ist stromabwärts der zweiten Koppelstelle und stromaufwärts des Einlasses der zweiten Turbine angeordnet.

Das Koppeln der ersten Koppelstelle mit der zweiten Koppelstelle erfolgt insbesondere mittels eines Wärmetauschers, welcher mit Leitungen, durch welche jeweils das erste bzw. zweite Arbeitsfluid strömt, gekoppelt ist. Das erste Arbeits- fluid strömt durch die Leitung zu einem Wärmetauscher, welcher auch von dem zweiten Arbeitsfluid durchströmt ist, so dass Wärmeenergie an der zweiten Koppelstelle von dem ersten Arbeitsfluid auf das zweite Arbeitsfluid übertragen wird.

Das Koppeln der dritten Koppelstelle mit der vierten Koppelstelle erfolgt ebenfalls insbesondere mittels eines Wärmetau- schers, durch welchen das erste und zweite Arbeitsfluid strömt. Das erste Arbeitsfluid kann dabei andere Zustandsgrö- ßen, beispielsweise Druck oder Temperatur, aufweisen als an der ersten Koppelstelle. Das erste Arbeitsfluid strömt hier durch eine Leitung zu einem Wärmetauscher, welcher auch von dem zweiten Arbeitsfluid durchströmt wird, so dass Wärmeener ^¬ gie an der vierten Koppelstelle von dem ersten Arbeitsfluid auf das zweite Arbeitsfluid übertragen wird.

Es wird darauf hingewiesen, dass die hier beschriebenen Aus- führungsformen lediglich eine beschränkte Auswahl an möglichen Ausführungsvarianten der Erfindung darstellen. So ist es möglich, die Merkmale einzelner Ausführungsformen in geeigneter Weise miteinander zu kombinieren, so dass für den Fachmann mit den hier expliziten Ausführungsvarianten eine Viel- zahl von verschiedenen Ausführungsformen als offensichtlich offenbart anzusehen sind.

Kurze Beschreibung der Zeichnung Im Folgenden werden zur weiteren Erläuterung und zum besseren Verständnis der vorliegenden Erfindung Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren näher beschrieben . Fig. 1 zeigt ein schematisches Schaubild eines Systems ge ^¬ mäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung . Fig. 2 zeigt ein Diagramm der Temperatur 0 als Funktion der Wärmemenge Q gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung. Fig. 3 zeigt ein Diagramm der Temperatur 0 als Funktion der Wärmemenge Q gemäß dem Stand der Technik.

Fig. 4 zeigt ein weiteres Diagramm der Temperatur 0 als Funktion der Wärmemenge Q gemäß dem Stand der Technik.

Detaillierte Beschreibung von exemplarischen Ausführungsfor- men

Gleiche oder ähnliche Komponenten sind in den Figuren mit gleichen Bezugsziffern versehen. Die Darstellung in den Figuren ist schematisch und nicht maßstäblich.

Fig. 1 zeigt ein System 100 zum Koppeln von zwei Kreisprozessen 170, 180. Das System 100 weist einen ersten Kreisprozess 170 und einen zweiten Kreisprozess 180 auf.

Der erste Kreisprozess 170, welcher lediglich schematisch als Ausschnitt abgebildet ist, weist eine erste Turbine 110 auf und ist mit einem ersten Arbeitsfluid betreibbar. Der zweite Kreisprozess 180 weist eine zweite Turbine 120 auf und ist mit einem zweiten Arbeitsfluid betreibbar. Das System 100 weist ferner eine erste Koppelstelle 111, eine dritte Koppel ^¬ stelle 113 sowie eine fünfte Koppelstelle 115 an der ersten Turbine 110 auf. Die erste Koppelstelle 111 ist am Auslass der ersten Turbine 110 angeordnet. Die dritte Koppelstelle 113 und die fünfte Koppelstelle 115 sind stromaufwärts der ersten Koppelstelle 111 an der ersten Turbine 110 angeordnet, wobei die fünfte Koppelstelle stromaufwärts der dritten Kop ^¬ pelstelle 113 angeordnet ist. Anschaulich formuliert erreicht das erste Arbeitsfluid somit, wenn es durch die erste Turbine 110 strömt, zuerst die fünfte Koppelstelle 115, dann die dritte Koppelstelle 113 und anschließend die erste Koppel ^¬ stelle 111. Darüber hinaus weist der erste Kreisprozess eine erste Kreisprozessleitung 130, in welcher das erste Arbeits- fluid durch den ersten Kreisprozess 170 strömt, sowie einen ersten Generator 150 auf. In der ersten Turbine 110 nehmen die Temperatur und der Druck des ersten Arbeitsfluides in Durchströmungsrichtung ab. Somit weist das erste Arbeitsfluid an der ersten Koppelstelle 111 im Verhältnis zu an der dritten Koppelstelle 113 und an der fünften Koppelstelle 115 eine niedrigere Temperatur und einen niedrigeren Druck auf. Das erste Arbeitsfluid weist wiederum an der fünften Koppelstelle 115 im Verhältnis zu an der drit ^¬ ten Koppelstelle 113 und an der ersten Koppelstelle 111 eine höhere Temperatur sowie einen höheren Druck auf. Dies liegt an der in der ersten Turbine 110 erfolgenden Expansion des ersten Arbeitsfluides . Die vom ersten Arbeitsfluid auf eine erste Turbinenwelle 119 der ersten Turbine 110 übertragene Energie wird von der ersten Turbine 110 an den ersten Genera ^¬ tor 150 übertragen, welcher die Bewegungsenergie der ersten Turbinenwelle 119 in elektrische Energie umwandelt.

Der zweite Kreisprozess 180 weist eine zweite Turbine 120 auf und ist mit einem zweiten Arbeitsfluid betreibbar. Das System weist darüber hinaus eine zweite Koppelstelle 142, eine vier ^¬ te Koppelstelle 144 und eine sechste Koppelstelle 146 in dem zweiten Kreisprozess 180 auf. Die sechste Koppelstelle 146 ist stromaufwärts eines Einlasses 122 der zweiten Turbine 120 angeordnet. Die zweite Koppelstelle 142 ist stromabwärts ei ^¬ nes Auslasses 121 der zweiten Turbine 120 angeordnet. Ferner ist die vierte Koppelstelle 144 stromaufwärts der sechsten Koppelstelle 146 und stromabwärts der zweiten Koppelstelle 142 angeordnet. Das zweite Arbeitsfluid strömt somit beim Durchströmen des zweiten Kreisprozesses anschaulich zunächst durch die zweite Koppelstelle 142, dann durch die vierte Kop ^¬ pelstelle 144 und anschließend durchströmt es die sechste Koppelstelle 146. Der zweite Kreisprozess 180 weist ferner einen Kondensator oder Wärmetauscher 141, einen zweiten Generator 160, eine Pumpe 143 sowie eine Kreisprozessleitung 140, in welcher das zweite Arbeitsfluid strömt, auf. Der Kondensator oder Wärmetauscher 141 ist derart ausgebildet, dass das in der zweiten Kreisprozessleitung 140 strömende und aus der zweiten Turbine 120 ausgeströmte zweite Ar- beitsfluid kondensiert oder abgekühlt wird.

Die Pumpe 143 treibt das zweite Arbeitsfluid derart an, dass es durch die zweite Kreisprozessleitung 140 strömt. Der erste Generator 150 bzw. der zweite Generator 160 wandeln die kinetische Energie der ersten Turbinenwelle 119 bzw. der zweiten Turbinenwelle 129 in elektrische Energie um. In einer Ausführung können die erste Turbine 110 und die zweite Turbi ^¬ ne 120 einen gemeinsamen Generator antreiben (nicht in Fig. 1 dargestellt) .

Das zweite Arbeitsfluid weist an der sechsten Koppelstelle 146 eine höhere Temperatur sowie einen höheren Druck auf als an der vierten Koppelstelle 144 und der zweiten Koppelstelle 142. Dies liegt daran, dass dem zweiten Arbeitsfluid beim

Durchströmen in Strömungsrichtung an jeder Koppelstelle 142, 144 und 146 Wärmeenergie mittels eines jeweiligen Wärmetau ^¬ schers vom ersten Arbeitsfluid übertragen wird. Im Anschluss an die sechste Koppelstelle 146 strömt das zweite Arbeits- fluid über den Einlass 122 in die zweite Turbine 120 sowie durch den Auslass 121 wieder in die zweite Kreisprozesslei ^¬ tung 140. In der zweiten Turbine 120 wird das zweite Arbeits ^¬ fluid expandiert. Die vom zweiten Arbeitsfluid auf eine zwei ^¬ te Turbinenwelle 129 der zweiten Turbine 120 übertragene Energie wird von der zweiten Turbinenwelle 129 an den zweiten Generator 160 übertragen, welcher die Bewegungsenergie der zweiten Turbinenwelle 129 in elektrische Energie umwandelt.

Der erste Kreisprozess 170 und der zweite Kreisprozess 180 sind an drei unterschiedlichen Stellen thermisch miteinander derart gekoppelt, dass Wärmeenergie von dem ersten Arbeits ^¬ fluid auf das zweite Arbeitsfluid übertragbar ist. Dieses Koppeln erfolgt mittels der ersten Leitung 101, der zweiten Leitung 102 und der dritten Leitung 103. Die erste Leitung 101 koppelt die erste Koppelstelle 111 mit der zweiten Kop ^¬ pelstelle 142. Ferner koppelt die zweite Leitung 102 die dritte Koppelstelle 113 mit der vierten Koppelstelle 144 so- wie die dritte Leitung 103 die fünfte Koppelstelle 115 mit der sechsten Koppelstelle 146. Das erste Arbeitsfluid strömt sowohl durch die erste Leitung 101 als auch die zweite Lei ^¬ tung 102 und die dritte Leitung 103. Das erste Arbeitsfluid, welches durch die erste Leitung 101 strömt, hat eine niedrigere Temperatur und einen niedrigeren Druck relativ zu einer Temperatur und einem Druck des ersten Arbeitsfluides in der zweiten Leitung 102 oder der dritten Leitung 103. An der zweiten Koppelstelle 142, welche als Wär- metauscher ausgebildet sein kann, weist das zweite Arbeits ^¬ fluid stromabwärts der Pumpe 143 eine niedrige Temperatur auf. Somit ist die Temperaturdifferenz zwischen dem ersten Arbeitsfluid und dem zweiten Arbeitsfluid an der zweiten Kop ^¬ pelstelle 142 geringer als an den vierten oder sechsten Kop- pelstellen 144, 146, so dass der Wärmetauscher die im ersten Arbeitsfluid enthaltene Wärmeenergie mit geringem

Exergieverlust an das zweite Arbeitsfluid übertragen kann.

An der vierten Koppelstelle 144 ist das zweite Arbeitsfluid von der zweiten Koppelstelle 142 bereits vorgewärmt, so dass das zweite Arbeitsfluid verglichen mit seinem Zustand an der zweiten Koppelstelle 142 eine höhere Temperatur aufweist. Das erste Arbeitsfluid, welches durch die zweite Leitung 102 strömt wird stromaufwärts des Auslasses 111 der ersten Turbi- ne 110 abgezapft. Somit weist auch das erste Arbeitsfluid an der vierten Koppelstelle 144 eine höhere Temperatur sowie ei ^¬ nen höheren Druck auf. Somit ist die Temperaturdifferenz im Wärmetauscher an der vierten Koppelstelle 144 ebenfalls gering aber liegt auf einem höheren Temperaturniveau, so dass der Wärmetauscher die im ersten Arbeitsfluid enthaltene Wärmeenergie mit ebenfalls geringem Exergieverlust an das zweite Arbeitsfluid übertragen kann. An der fünften Koppelstelle 115 wird das Arbeitsfluid strom ^¬ aufwärts der dritten Koppelstelle 113 sowie der ersten Kop ^¬ pelstelle 111 aus der ersten Turbine 110, sozusagen an der ersten Abzapfung der ersten Turbine, abgezapft. Somit weist das erste Arbeitsfluid an der fünften Koppelstelle 115 eine höhere Temperatur und einen höheren Druck auf als an der dritten Koppelstelle 113 sowie der ersten Koppelstelle 111. Das zweite Arbeitsfluid ist an der sechsten Koppelstelle 146 bereits an der zweiten Koppelstelle 142 sowie der vierten Koppelstelle 144 vorgewärmt worden, so dass es eine höhere

Temperatur aufweist als an der zweite Koppelstelle 142 sowie der vierten Koppelstelle 144. Somit ist die Temperaturdiffe ^¬ renz im Wärmetauscher an der sechsten Koppelstelle 146 ebenfalls gering, so dass der Wärmetauscher die im ersten Ar- beitsfluid enthaltene Wärmeenergie mit ebenfalls geringem Exergieverlust an das zweite Arbeitsfluid überträgt.

Somit erfolgt eine stufenweise Wärmeübertragung vom ersten Arbeitsfluid auf das zweite Arbeitsfluid, welches stromab- wärts der sechsten Koppelstelle 146 die gewünschte Prozess ^¬ temperatur für die zweite Turbine 120 aufweist.

Fig. 2 zeigt ein Diagramm der Temperatur 0 als Funktion der Wärmemenge Q. Der Temperaturverlauf 220 des zweiten Arbeits- fluides in einem ORC Prozess ist als Funktion der Wärmemenge Q dargestellt. Der Temperaturverlauf 211 der ersten Koppel ^¬ stelle 111 (in Fig. 1 illustriert) verläuft waagerecht. Wie in Fig. 2 dargestellt, ist die Temperaturdifferenz zwischen dem Temperaturverlauf 211 des ersten Arbeitsfluides an der ersten Koppelstelle 111 und des Temperaturverlaufs 220 des zweiten Arbeitsfluides im ORC Prozess gering, so dass ein ge ^¬ ringer Exergieverlust 231 beim Übertragen der Wärmeenergie von dem ersten Arbeitsfluid auf das zweite Arbeitsfluid auf ^¬ tritt .

Auch die Temperaturdifferenz zwischen dem Temperaturverlauf 213 des ersten Arbeitsfluides an der dritten Koppelstelle 113 (in Fig. 1 illustriert) und des Temperaturverlaufs 220 des zweiten Arbeitsfluides in dem ORC Prozess ist gering, so dass auch an der dritten Koppelstelle 113 ein geringer

Exergieverlust 233 auftritt.

Ein Temperaturverlauf 215 des ersten Arbeitsfluides an der fünften Koppelstelle 115 (in Fig. 1 illustriert) weist eine geringe Temperaturdifferenz 235 zum Temperaturverlauf 220 des ORC Prozesses an der sechsten Koppelstelle 246 auf. Somit ist auch an dieser Stelle der Exergieverlust 235 gering.

Ergänzend ist darauf hinzuweisen, dass "umfassend" keine an ^¬ deren Elemente oder Schritte ausschließt und "eine" oder "ein" keine Vielzahl ausschließt. Ferner sei darauf hingewie ^¬ sen, dass Merkmale oder Schritte, die mit Verweis auf eines der obigen Ausführungsbeispiele beschrieben worden ist, auch in Kombination mit anderen Merkmalen oder Schritten anderer oben beschriebener Ausführungsbeispiele verwendet werden kön ^¬ nen. Bezugszeichen in den Ansprüchen sind nicht als Einschränkung anzusehen.