Die Erfindung richtet sich auf ein Dampferzeugungssystem umfassend eine Hochtemperaturwärmepumpe mit einem Wärmeträgerfluidkreislauf, in welchem eine Wärmeenergie in das Wärmeträgerfluid des Wärmeträgerfluidkreislaufs einkoppelnde Wärmeenergieeinspeisevorrichtung und eine Wärmeenergie aus dem Wärmeträgerfluid des Wärmeträgerfluidkreislaufs auskoppelnde Wärmeenergieausspeisevorrichtung sowie ein Kompressor oder Verdichter und ein Expander oder eine Entspannungsturbine oder eine Drossel oder ein Schraubenexpander angeordnet sind.

Weiterhin richtet sich die Erfindung auf ein Verfahren zur Dampferzeugung, mit einem Dampferzeugungssystem, das eine Hochtemperaturwärmepumpe mit einem Wärmeträgerfluidkreislauf, in welchem eine Wärmeenergie in des Wärmeträgerfluid des Wärmeträgerfluidkreislauf einkoppelnde Wärmeenergieeinspeisevorrichtung und eine Wärmeenergie aus dem Wärmeträgerfluid des Wärmeträgerfluidkreislaufs auskoppelnde Wärmeenergieausspeisevorrichtung sowie ein Kompressor oder Verdichter und ein Expander oder eine Entspannungsturbine oder eine Drossel oder ein Schraubenexpander angeordnet sind, umfasst.

Häufig besteht das Bedürfnis, ortsnah in einem transportierbaren Medium wie einem Fluid, beispielsweise einer Flüssigkeit oder einem Gas, enthaltene Wärmeenergie noch nutzen zu können. Dies scheitert häufig daran, dass in

Ortsnähe aber lediglich Medien, insbesondere ein flüssiges oder gasförmiges Fluid, benötigt werden, die ein demgegenüber deutlich höheres Temperaturniveau und damit einen deutlich höheren Wärmeenergieinhalt aufweisen. Um die zur Verfügung stehende (Rest)Wärmeenergie dennoch nutzen zu können, wird häufig durch unmittelbares Aufheizen des Fluids, dessen Restwärme noch genutzt werden soll, erreicht, dass dieses auf das gewünschte Temperaturniveau angehoben wird.

Andererseits sind aber auch elektrisch betriebene Wärmepumpen bekannt, die mit Hilfe eines Wärmeträgermediumkreislaufs einen angeschlossenen Fluidkreislauf erwärmen. So ist es beispielsweise bekannt, mittels einer Wärmepumpe Wasser in den Bereich seiner Siedetemperatur zu erhöhen. Außerdem besteht das Bedürfnis, gegebenenfalls verschiedene und unterschiedliche Wärmequellen nutzen zu können, um ein Fluid auf die gewünschte hohe Temperatur zu bringen. Insbesondere besteht das Bedürfnis, (Rest)Wärme eines Fernwärmeleitungsnetzes und Abwärme, beispielsweise aus einem industriellen Prozess, nutzen zu können.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Lösung zu schaffen, die es ermöglicht, aus örtlicher Wärme, insbesondere aus Wärme eines Fernwärmeleitungsnetzes und/oder einer Abwärme eines industriellen Prozesses, und zugeführtem elektrischen Strom Dampf zu erzeugen.

Diese Aufgabe wird durch ein Dampferzeugungssystem gemäß Anspruch 1 und ein Verfahren zur Dampferzeugung gemäß Anspruch 9 gelöst.

Zweckmäßige Ausgestaltungen und vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der jeweiligen Unteransprüche.

Bei einem Dampferzeugungssystem der eingangs näher bezeichneten Art wird das Ziel dadurch erreicht, dass in der Wärmeenergieeinspeisevorrichtung aus einem zuströmenden temperierten Fluidstrom ausgekoppelte und an das Wärmeträgerfluid des Wärmeträgerfluidkreislaufs übertragene Wärmeenergie das Wärmeträgerfluid erwärmt und der Kompressor oder Verdichter dieses erwärmte Wärmeträgerfluid vor dessen Eintritt in die Wärmeenergieausspeisevorrichtung auf einen solchen Druck verdichtet, dass dessen in der Wärmeenergieausspeisevorrichtung aus dem Wärmeträgerfluid ausgekoppelte und an die Wärmeenergieausspeisevorrichtung durchströmendes Wasser, insbesondere Speisewasser, übertragene Wärmeenergie das Wasser, insbesondere Speisewasser, verdampft. Ebenso wird die vorstehende Aufgabe bei einem Verfahren der eingangs näher bezeichneten Art dadurch gelöst, dass in der Wärmeenergieeinspeisevorrichtung aus einem zuströmenden temperierten Fluidstrom Wärmeenergie ausgekoppelt und das Wärmeträgerfluid des Wärmeträgerfluidkreislaufs erwärmend an dieses übertragen wird und dieses erwärmte Wärmeträgerfluid vor dessen Eintritt in die Wärmeenergieausspeisevorrichtung von dem Kompressor oder Verdichter auf einen solchen Druck verdichtet wird, dass der Wärmeenergieinhalt des Wärmeträgerfiuids ausreicht, um mit in der Wärmeenergieausspeisevorrichtung aus dem Wärmeträgerfluid ausgekoppelter und an die Wärmeenergieausspeisevorrichtung durchströmendes Wasser, insbesondere Speisewasser, übertragener Wärmeenergie das Wasser, insbesondere Speisewasser, zu verdampfen.

Durch die Erfindung wird ein Dampferzeugungssystem geschaffen, bereitgestellt und genutzt, mit welchem sich Prozessdampf und/oder Heizdampf, insbesondere zur Nutzung bei industriellen Prozessen, mittels eines eine Hochtemperaturwärmepumpe umfassenden Dampferzeugungssystems erzeugen lässt, bei welchem eine in den Wärmeträgerfluidkreislauf der Hochtemperaturwärmepumpe eingebundene und in Form eines Verdampfers/Gaskühlers ausgebildete Wärmeenergieausspeisevorrichtung den Dampf erzeugt. Dieser Wärmeenergieausspeisevorrichtung sind vorzugsweise ein insbesondere elektrisch betriebener Überhitzer und/oder mindestens ein Dampfkompressor in Strömungsrichtung des erzeugten Dampfes nachgeschaltet. Im Unterschied zu konventionellen Dampferzeugungssystemen, die fossilen Brennstoff oder elektrischen Strom nutzen, können das erfindungsgemäße Dampferzeugungssystem und das erfindungsgemäße Verfahren zur Dampferzeugung verschiedene Energiequellen wie elektrischen Strom, örtlich vorhandene Wärme, Wärme aus einem Fernwärmenetz oder Abwärme, beispielsweise von einem industriellen Prozess, nutzen. Die verwendete Hochtemperaturwärmepumpe hebt die eingangsseitig über die Wärmeenergie in den Wärmeträgerfluidkreislauf einkoppelnde Wärmeenergieeinspeisevorrichtung bereitgestellte Wärmeenergie oder Wärmequellentemperatur auf eine für eine Niedrigdruckdampfproduktion in einem Verdampfer (Wärmeenergieausspeisevorrichtung) geeignete Temperatur. Das Arbeitsmedium oder Wärmeträgerfluid des Wärmeträgerfluidkreislaufes der Hochtemperaturwärmepumpe wird vorzugsweise von CO ₂ gebildet, kann aber auch Ammoniak (NH3) sein. Nach der Bildung des Niedrigdruckdampfes im Verdampfer wird dieser mittels der vorgesehenen elektrischen Überhitzung, insbesondere aber mittels des mindestens einen vorgesehenen Dampfkompressors auf den gewünschten Dampfdruck komprimiert. Dies erfolgt vorzugsweise im Rahmen einer mehrstufigen Kompression des Dampfes mit Zwischenkühlung, vorzugsweise Einspritzkühlung, so dass sichergestellt ist, dass der komprimierte Dampf die gewünschte Temperatur aufweist. Dies ist insbesondere dann wichtig, wenn der Dampf als Prozessdampf anschließend in einem industriellen Prozess Verwendung finden soll.

Um den erzeugten Dampf für eine Verwendung als Prozessdampf vorteilhaft ausbilden zu können, sieht die Erfindung in Weiterbildung vor, dass der Wärmeenergieausspeisevorrichtung in Strömungsrichtung des erzeugten Dampfes mindestens ein den Dampfdruck erhöhender Dampfkompressor und/oder ein, insbesondere elektrisch betriebener Überhitzer, nachgeschaltet ist/sind. Hierbei ist auch eine Kombination von Dampfkompressor und Überhitzer möglich, so dass die Erfindung weiterhin auch vorsieht, dass der Überhitzer in Strömungsrichtung des erzeugten Dampfes dem mindestens einen Dampfkompressor nachgeschaltet ist. Von Vorteil ist es, den Dampfkompressor mehrstufig, insbesondere mit Zwischenkühlung mittels Wasserinjektion auszubilden. Die Erfindung zeichnet sich in weiterer Ausgestaltung daher auch dadurch aus, dass der mindestens eine Dampfkompressor eine mehrstufige Kompression des Dampfes, insbesondere mit Zwischenkühlung, vorzugsweise mit Einspritzkühlung, aufweist.

Eine besonders günstige und vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung besteht darin, dass der Kompressor des Wärmeträgerfluidkreislaufs und der oder die oder mindestens ein Teil der den Dampfdruck des erzeugten Dampfes erhöhende(n) Kompressor(en) und der Expander des Wärmeträgerfluidkreislaufs auf einem Getriebe angeordnet sind. Vorteilhaft ist es, dieses Getriebe als Bull-Gear- Getriebe auszubilden, weshalb die Erfindung weiterhin vorsieht, dass das Getriebe als Bull-Gear-Getriebe ausgebildet ist und vorzugsweise von einem einzigen Motor angetrieben wird. Durch die erfindungsgemäße Anordnung der verschiedenen Kompressoren und des Expanders auf einem Getriebe, ist es möglich, eine kleinbauende Einheit für den Antrieb dieser Elemente vorzusehen. Diese Einheit kann dann zudem von lediglich einem Motor angetrieben sein. Wenn alle Antriebsräder, die jeweils einen Kompressor antreiben oder von oder dem Expander angetrieben werden, um ein Sonnenrad - etwa analog zu einem Planetengetriebe - angeordnet sind, wie dies bei einem Bull-Gear-Getriebe der Fall ist, können damit die unterschiedlichen, jeweils an einem Antriebsrad angeordneten oder einem Antriebsrad zugeordneten Elemente oder Komponenten (der Kompressor des Wärmeträgerfluidkreislaufs, der oder die den Dampfdruck des erzeugten Dampfes erhöhende(n) Kompressor(en) und der Expander des Wärmeträgerfluidkreislaufs) mit unterschiedlichen Drehzahlen angetrieben oder betrieben werden, obgleich sie dann gegebenenfalls dennoch lediglich an einen Motor gekoppelt sind oder sein können.

Das bevorzugte Wärmeträgerfluid im Wärmeträgerfluidkreislauf ist Kohlendioxid (CO2), wobei aber auch Ammoniak (NH ₃ ) Verwendung findet, weshalb sich die Erfindung auch dadurch auszeichnet, dass das Wärmeträgerfluid Kohlendioxid (CO ₂ ) oder Ammoniak (NH ₃ ) ist.

Um die notwendigen Wärmeeinkopplungen und Wärmeauskopplungen günstig realisieren zu können, ist es zweckmäßig, die Wärmeenergieausspeisevorrichtung und die Wärmeenergieeinspeisevorrichtung als Wärmetauscher auszubilden. Die Erfindung sieht daher weiterhin vor, dass die Wärmeenergieeinspeisevorrichtung als Wärmetauscher, insbesondere als flüssig/Gas- Wärmetauscher, und/oder die Wärmeenergieausspeisevorrichtung als Wärmetauscher, insbesondere als Verdampfer/Gaskühler, ausgebildet sind.

Um wie erfindungsgemäß vorgesehen Dampf erzeugen zu können, ist es gemäß Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens von Vorteil, wenn das Wärmeträgerfluid Kohlendioxid (CO ₂ ) ist und vor seinem Eintritt in die Wärmeenergieausspeisevorrichtung auf einen Druck von > 190 bar und eine Temperatur von > 190 °C verdichtet wird.

Ebenso ist es aber auch in vorteilhafter Weise möglich, dass das Wärmeträgerfluid Ammoniak (NH ₃ ) ist und vor seinem Eintritt in die Wärmeenergieausspeisevorrichtung (6) auf einen Druck von s 80 bar und eine Temperatur von > 160 °C verdichtet wird, was die Erfindung in Ausgestaltung des Verfahrens ebenfalls vorsieht. Von Vorteil ist es in weiterer Ausgestaltung der Erfindung, wenn der erzeugte Dampf auf das für seine Verwendung als Prozessdampf notwendige Druck- und Temperaturniveau gebracht wird. Das erfindungsgemäße Verfahren zeichnet sich daher weiterhin dadurch aus, dass der in der Wärmeenergieausspeisevorrichtung erzeugte Dampf mindestens einem den Dampfdruck erhöhenden Dampfkompressor und/oder einem, insbesondere elektrisch betriebenen, Überhitzer zugeführt wird, der/die der Wärmeenergieausspeisevorrichtung in Dampfströmungsrichtung nachgeschaltet ist/sind.

Schließlich ist es von Vorteil, das gewünschte Prozessdampf-Druck- und Temperaturniveau abhängig von dem gewünschten Niveau mit unterschiedlichen Vorrichtungen zu realisieren. Die Erfindung sieht daher schließlich auch vor, dass der in der Wärmeenergieausspeisevorrichtung erzeugte Dampf in dem Überhitzer auf einen Druck zwischen 1 und 5 bar gebracht wird und/oder dass der in der Wärmeenergieausspeisevorrichtung erzeugte Dampf in dem oder den den Dampfdruck erhöhenden Dampfkompressor(en) auf einen Druck zwischen 2 und 20 bar gebracht wird.

Die Erfindung ist nachstehend anhand einer Zeichnung beispielhaft näher erläutert. Diese zeigt in

Fig. 1 in schematischer Verfahrensdarstellung ein erstes

Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen

Dampferzeugungssystems mit C0 ₂ als Wärmeträgerfluid, Fig. 2 in schematischer Verfahrensdarstellung ein zweites

Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen

Dampferzeugungssystems mit C0 ₂ als Wärmeträgerfluid,

Fig. 3 den COP-Verlauf verschiedener Dampfparameter bei Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Dampferzeugung,

Fig. 4 die Ausführungsform nach Fig. 1 mit konkret zur Anwendung gelangenden Verfahrensparametern,

Fig. 5 in schematischer Verfahrensdarstellung ein drittes

Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen

Dampferzeugungssystems mit C0 ₂ als Wärmeträgerfluid,

Fig. 6 in schematischer Verfahrensdarstellung ein viertes

Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen

Dampferzeugungssystems mit CO2 als Wärmeträgerfluid,

Fig. 7 in schematischer Darstellung die Integration eines Bull-Gear-

Getriebes in ein Dampferzeugungssystem mit CO2 als Wärmeträgerfluid,

Fig. 8 in schematischer Darstellung die Anwendung des erfindungsgemäßen Dampferzeugungssystems in einem fünften Ausführungsbeispiel mit C0 ₂ als Wärmeträgerfluid und in

Fig. 9 in schematischer Darstellung die Anwendung des erfindungsgemäßen Dampferzeugungssystems in einem sechsten Ausführungsbeispiel mit Ammoniak als Wärmeträgerfluid.

Kernstück des insgesamt mit 17 bezeichneten Dampferzeugssystems und des Verfahrens zur Dampferzeugung ist die Hochtemperaturwärmepumpe 1 , die je nach Ausführungsbeispiel C0 ₂ oder NH ₃ als Arbeitsmedium und Wärmeträgerfluid nutzt. Für die Erzeugung von verdichtetem Dampf ist bei der Ausführungsform nach der Fig. 1 ein Dampfkompressor 2 und bei der Ausführungsform nach der Fig. 2 ein Überhitzer 3 wesentlicher Bestandteil des Dampferzeugungssystems für die Erzeugung eines verdichteten Dampfes höheren Druckes. Im Vergleich zu üblichen Wärmeträgerfluiden weist CO2 einen geringeren Einfluss auf die Umwelt auf.

Im Vergleich zu konventionellen Wärmepumpen, die auf der warmen Seite Temperaturen von bis zu 100 °C und auf der kalten Seite Temperaturen von maximal 30 °C verarbeiten, können mit der hier verwendeten Hochtemperaturwärmepumpe 1 auf der heißen Seite Temperaturen von über 90 °C, vorzugsweise von über 220 °C, und bis zu 260 °C erzeugt werden. Auf der kalten Seite können mit der Hochtemperaturpumpe 1 Eingangstemperaturen im Bereich von 110 °C bis 180 °C verarbeitet werden. Die Hochtemperaturwärmepumpe 1 weist einen Wärmeträgerfluidkreislauf 4 auf, in welchem bei der Verwendung von CO2 als Wärmeträgerfluid in Strömungsrichtung des Wärmeträgerfluids nacheinander geschaltet ein Kompressor 5, eine Wärmeenergieausspeisevorrichtung 6, eine Entspannungsturbine oder ein Expander 7 und eine Wärmeenergieeinspeisevorrichtung 8 angeordnet sind.

Beim Übergang vom Abschnitt IV zum Abschnitt I des Wärmeträgerfluidkreislaufes 4 wird in der dort in den Wärmeträgerfluidkreislauf 4 eingebundenen Wärmeenergieeinspeisevorrichtung 8 ein mit einer Temperatur von 110 °C bis 180 °C zufließender Fluidstrom 9 auf eine Temperatur von 45 °C bis 70 °C gekühlt. Bei dem zufließenden Fluidstrom 9 handelt es sich beispielsweise insbesondere um ein Fernwärmefluid, so dass die Wärmeenergieeinspeisevorrichtung 8 auch als

Fernwärmekreuzstromwärmetauscher bezeichnet werden kann. In der Wärmeenergieeinspeisevorrichtung 8 wird die durch die Kühlung des Fluidstroms 9 gewonnene Wärmeenergie an das C0 ₂ Wärmeträgerfluid des Wärmeträgerfluidkreislaufes 4 übertragen. In Abhängigkeit von der Temperatur des Fluidstromes 9 und der Pinch-Temperatur, beispielsweise 10 K, betragen die mögliche Mindest-CO ₂ -Temperatur 100 °C (Wärmeträgerfluid) und die maximale CO ₂ -Temperatur 130 °C (Wärmeträgerfluid). Die Begrenzung auf 130 °C ist durch die Begrenzung der thermischen Kohlendioxideigenschaften des Wärmeträgerfluids nach dem Expansionsschritt (auf 50-110 bar) im Abschnitt IV des Wärmeträgerfluidkreislaufes 4 verursacht und bestimmt.

Vom Abschnitt I zum Abschnitt II des Wärmeträgerfluidkreislaufes 4 durchströmt das Wärmeträgerfluid den Kompressor 5 und wird mittels dieses Kompressors 5 auf einen Druck von mehr als 190 bar, im Ausführungsbeispiel nach den Fig. 1 und 2 auf 200 bar, verdichtet. Dies geht einher mit einer entsprechenden Temperaturerhöhung, so dass das C02-Wärmeträgerfluid im Abschnitt II des Wärmeträgerfluidkreislaufes 4 eine Temperatur von > 190 °C, im Ausführungsbeispiel bei den 200 bar von 220 °C, aufweist. Um die Verdichtung ausgehend von 50 - 110 bar auf einen Druck von mehr als 190 bar zu erreichen, ist mit dem Kompressor 5 eine mechanische Leistung im Bereich von 0,5 bis 50 MW aufzubringen. Je nach Prozess kann diese teilweise mittels zugeführter elektrischer Energie aufgebracht werden.

In Förderrichtung des C02-Wärmeträgerfluids ist im Wärmeträgerfluidkreislauf 4 vom Abschnitt II zum Abschnitt III die Wärmeenergieausspeisevorrichtung 6 angeordnet und in den Wärmeträgerfluidkreislauf 4 eingebunden. Die Wärmeenergieausspeisevorrichtung 6 ist ebenfalls als Kreuzstromwärmetauscher, im Ausführungsbeispiel konkret als Kreuzstromverdampfer, ausgebildet. In der Wärmeenergieausspeisevorrichtung 6 wird zugeführtes Frischwasser, gewünschtenfalls je nach Prozess auch Speisewasser, jedenfalls Wasser 10, zu Sattdampf 11 verdampft. In Strömungsrichtung des Wassers 10 stromaufwärts der Wärmeenergieausspeisevorrichtung 6 wird das im Ausführungsbeispiel als Frischwasser mit einer Temperatur von 20 °C und einem Druck von 1 bar zugeführte Wasser 10 auf einen Dampfdruck oder Sattdampfdruck angehoben und in einem optionalen Wärmetauscher 12, der als Kreuzstromvorwärmer ausgebildet ist, auf die Verdampfungstemperatur vorgewärmt. In der Wärmeenergieausspeisevorrichtung 6 wird das Wasser 10 dann zum Sattdampf 11 verdampft. In der Wärmeenergieausspeisevorrichtung 6 wird die bei dem jeweiligen Druck in dem Wärmeträgerfluid des Wärmeträgerfluidkreislaufes 4 enthaltene Wärmeenergie zumindest teilweise aus dem Wärmeträgerfluid ausgekoppelt und in den zuströmenden Fluidstrom aus Wasser 10 eingekoppelt. Der Kompressor 5 verdichtet also das in der Wärmeenergieeinspeisevorrichtung 8 erwärmte Wärmeträgerfluid des Wärmeträgerfiuidkreislaufes 4 vor dessen Eintritt in die Wärmeenergieausspeisevorrichtung 6 auf einen solchen Druck, dass die in der Wärmeenergieausspeisevorrichtung 6 aus dem Wärmeträgerfluid ausgekoppelte und an das Wasser 10 übertragene Wärmeenergie das die Wärmeenergieausspeisevorrichtung 6 durchströmende Wasser 10 verdampft, das Wärmeträgerfluid also die dafür benötigte Temperatur aufweist. Der in der Wärmeenergieausspeisevorrichtung 6 gebildete Sattdampf 1 wird dann bei der Ausführungsform nach der Fig. 1 dem Dampfkompressor 2 zugeführt und auf einen Druck von 2-20 bar verdichtet. Bei dem Dampfkompressor 2 kann es sich um einen einstufigen Kompressor handeln. Vorzugsweise ist der Dampfkompressor 2 aber als mehrstufiger Dampfkompressor 2a, 2b mit Zwischenkühlung mittels Wasserinjektion 13 ausgebildet. In diesem Fall weist der Dampfkompressor 2a, 2b vorzugsweise eine mehrstufige Kompression des Dampfes 11 mit einer Einspritzkühlung (Wasserinjektion 13) auf. Bei der Ausführungsform nach der Fig. 2 wird der in der Wärmeenergieausspeisevorrichtung 6 erzeugte Sattdampf 11 mittels des elektrischen Überhitzers 3 auf einen Dampfdruck von 1 - 5 bar angehoben.

Nach dem Durchströmen der Wärmeenergieausspeisevorrichtung 6 besitzt das Wärmeträgerfluid weiterhin ein hohes Temperatur- und Druckniveau. Um diese Wärmeenergie zurückzugewinnen und wiederum ein geeignetes Temperaturniveau für einen Wärmetransfer oder Wärmeübertrag zu erreichen, wird das Wärmeträgerfluid im Wärmeträgerfluidkreislauf 4 dann vom Abschnitt III zum Abschnitt IV der Entspannungsturbine oder dem Expander 7 zugeführt. Diese C0 ₂ -Entspannungsturbine 7 oder dieser C0 ₂ -Expander wird gleichzeitig genutzt, um den Kompressor 5 anzutreiben, wie durch die gestrichelten Pfeile 14 dargestellt ist. Dies reduziert den Verbrauch an mechanischer Energie oder mechanischer Leistung signifikant, die elektrisch 15 a mittels eines Elektromotors 15, 20 für den Antrieb des Kompressors 5 bereitgestellt werden muss. Die Eigenschaften des Wärmeträgerfluids, hier des C0 ₂ -Wärmeträgerfluids, an der Wärmeenergieeinspeisevorrichtung 8, speziell dessen Temperatur, sind essentiell für die erreichbare Wärmerückführungstemperatur des Wärmeträgerfluids. Bei einer Pinch-Temperatur von 10 K beträgt die minimale Wärmeenergieabgabetemperatur des Wärmeträgerfluids 45 °C bis 70 °C. Der Unterschied zwischen den beiden Ausführungsformen gemäß Fig. 1 und Fig. 2 besteht in der Ausbildung des Dampfdruckbereiches. Die Variante nach der Fig. 1 mit dem Dampfkompressor 2 findet in der Hauptsache bei gewünschten höheren Dampfdrücken oberhalb von 5 bar Anwendung, wohingegen die Ausführungsform nach der Fig. 2 mit dem Überhitzer 3 hauptsächlich bei Dampfdrücken unterhalb 5 bar Anwendung findet. Aber es ist festzuhalten, dass beide Varianten bei allen Drücken Verwendung finden können, wobei sogar eine Kombination eines Dampfkompressors 2 mit einem in Strömungsrichtung des Dampfes 11 nachgeschalteten Überhitzer 3 möglich ist. Der Fig. 3 sind die Änderungen der COP-Werte (Coefficient Of Performance oder Leistungszahl) der gesamten Dampferzeugungseinrichtung bzw. des gesamten Dampferzeugungssystems in Bezug auf Variationen in den Dampfparametern für die Ausführungsform nach der Fig. 1 dargestellt. Der COP-Wert gibt das Verhältnis von erzeugter Kälte- bzw. Wärmeleistung zur eingesetzten elektrischen Leistung bei mechanischen Wärmepumpen, wie es die Hochtemperaturwärmepumpe 1 ist, an. Die Fig. 4 zeigt einen mit in der Tabelle der Fig. 3 umrahmten Parametern durchgeführten Betrieb eines erfindungsgemäßen Dampferzeugungssystems 17 gemäß Ausführungsform nach Fig. 1 , wobei die der Wärmeenergieeinspeisevorrichtung 8 als Fluidstrom 9 zugeführte Wärmequelle ein (Femwärme-)Fluid mit einer Temperatur von 130°C und einem Massenstrom von 7,4 kg/s ist. Hier wird ein Prozessdampf von 6 bar und 170 °C erzeugt. Die Temperaturen und Drücke der jeweiligen Medien sind in der Fig. 4 an den entsprechenden Medien führenden Leitungen angegeben. Es zeigt sich, dass mit einer Stromverlustkennziffer des den Fluidstrom 9 bereitstellenden Kraftwerks von 0,124 ein COP _To tai von 2,299 erreicht wird.

Der das Kohlendioxid als Wärmeträgerfluid führende Wärmeträgerfluidkreislauf 4 steht mit einer Kohlendioxid-Quelle 16 in Verbindung, über welche dem Wärmeträgerfluidkreislauf 4 CO ₂ als Wärmeträgerfluid zuführbar ist. Die Wärmequelle, d.h. das durch eine Leitung zugeführte Wärmefluid oder der zugeführte Fluidstrom 9 kann grundsätzlich von jeder Art sein. Es kann sich um heißes lndustrie(ab)wasser, Fernwärmewasser, industrielle Dampfwärme oder geothermisches Heißwasser oder eine Temperatur von 60 °C bis 90 °C aufweisende Abwärme aus einer Elektrolyse zur Wasserstoff(H ₂ )-Herstellung aus Wasser handeln. Grundsätzlich kommen alle denkbaren Quellen für die Anwendung bei der Hochtemperaturwärmepumpe 1 in Frage. Die Einbindung des in der Fig. 4 dargestellten und insgesamt mit 17 bezeichneten Dampferzeugungssystems in ein Fernwärmenetz zeigt auch die Fig. 5, wobei die gleichen Dampfparameter wie bei dem Dampferzeugungssystem 17 nach Fig. 4 Verwendung finden. Ergänzend ist dargestellt, dass die Wärmeenergieausspeisevorrichtung 6 zwei Wärmetauscher 6a, 6b umfasst. Außerdem ist der Dampfkompressor 2 als mehrere Kompressionsstufen 2a, 2b umfassender Dampfkompressor ausgeführt.

An die Wärmequelle „Fernwärmenetz" ist in diesem Beispiel auch der das zuströmende Wasser 10, insbesondere Speisewasser, erwärmende Wärmetauscher 12 angeschlossen. Dieser kann ebenfalls an jede der vorstehend angegebenen Wärmequellen angeschlossen sein. Weiterhin ist bei diesem

Ausführungsbeispiel in Strömungsrichtung des Wärmeträgerfluids des Wärmeträgerfiuidkreislaufs 4 stromabwärts des Expanders 7 eine Drossel 7b angeordnet. Die Fig. 6 zeigt ein alternatives weiteres Ausführungsbeispiel für die Einbindung des erfindungsgemäßen Dampferzeugungssystems 17 in den Wasser/Dampf- Kreislauf eines von dem Abgas einer Gasturbine 18 gespeisten Abhitzedampferzeugers 19. Auch der Abhitzedampferzeuger 19 nach der Fig. 6 ist im Ausführungsbeispiel in ein Fernwärmenetz eingebunden. Bei dem Ausführungsbeispiel nach der Fig. 6 befindet sich die

Gesamtbrennstoffausnutzung auf einem hohen CHP (Combined Heat and Power) Niveau von 80%, und ist es möglich, Wärme über lange Distanzen von bis zu 100 km zu transportieren, was in üblichen Dampfleitungen aufgrund des dort üblicherweise auftretenden Druckverlustes des Dampfes in dem Röhrensystem nicht möglich ist. In einem solchen üblichen Dampfversorgungsnetz sind unter wirtschaftlicher Betrachtungsweise allenfalls 1-2 km maximal möglich.

Die Ausführungsform nach der Fig. 7 unterscheidet sich von den anderen Ausführungsformen im Wesentlichen dadurch, dass hier sowohl der Kompressor 5 als auch die Entspannungsturbine des Wärmeträgerfluidkreislaufes 4 und die Dampfkompressoren 2a, 2b des mehrstufigen Dampfkompressors 2 von einem einzigen Motor 20 mittels eines Bull-Gear-Getriebes 21 angetrieben werden und der Expander 7 dieses antreiben kann. Bei einem Bull-Gear-Getriebe sind alle Antriebsräder um ein Sonnenrad, analog zu einem Planetengetriebe, angeordnet. Dies erlaubt es, mit den verschiedenen Antriebsrädern unterschiedliche Elemente mit unterschiedlichen Drehzahlen anzutreiben oder zu betreiben, so dass beispielsweise von dem einen Motor 20 der Kompressor 5 sowie die beiden Dampfkompressoren 2a und 2b mit jeweils unterschiedlichen Drehzahlen angetrieben werden können und der Expander 7 Antriebsleistung einbringen kann, wobei alle diese Elemente oder Baugruppen aber dennoch an den lediglich einen Motor 20 gekoppelt sind. Hiern kann der antreibende Expander 7 demnach ggf. seine Antriebsleistung einbringen. Mit der erfindungsgemäßen Dampferzeugung, d.h. der Anwendung des

Dampferzeugungssystems 17 und des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Dampferzeugung, lassen sich wenig effiziente und/oder kostenintensive, dezentralisierte, kleinere Kraft-Wärme-Kopplungen vermeiden, kann die Verwendung bestehender Großanlagen gestützt werden und/oder kann mehr erneuerbare Energie, insbesondere aus erneuerbaren Energiequellen gewonnener Strom, Verwendung finden, wodurch ein Anstieg im Gasverbrauch bei dezentralen Anwendungen vermieden werden kann. Die Kombination der Hochtemperaturwärmepumpe mit aus erneuerbaren Energiequellen gewonnenem Strom oder aus fossil befeuerten großen Anlagen gewonnenem Strom ist ökonomischer und umweltfreundlicher als der Betrieb von dezentralisierten, brennstoffbasierten Kraft-Wärme-Kopplungsanlagen, die derartige hohe Umweltstandards nicht erfüllen. In Kombination mit „Power to Heat" mit Heißwasserspeicher, beispielsweise mittels elektrischer Widerstandsbeheizung oder Überschusswärme/Überschusselektrizität gewonnenem Heißwasser von Kraft-Wärme-Kopplungsanlagen, können mit der erfindungsgemäßen Ausgestaltung eines Dampferzeugungssystems größere Mengen an Überschusselektrizität oder Überschussstrom gespeichert werden, beispielsweise mittels dezentralisiert nahe der Hochtemperaturwärmepumpe oder zentralisiert nahe der Wärmeerzeugung des Wärmenetzwerkes angeordnetem Speicher. Auf diese Weise kann elektrischen Netzen Flexibilität zur Verfügung gestellt werden, wobei gleichzeitig die Anforderung von Dampfverbrauchem oder Wärmeverbrauchern erfüllbar bleibt. Die Speichereffizienz ist in diesem Falle nahe bei 100 % in Bezug auf die Dampf- oder Wärmeenergie. Während dieses System bisher für die Wärmespeicherung vorhanden ist, stellt die Verwendung einer solchen Speicherung für die Dampfproduktion eine nützliche Anwendung und einen wertvollen Betriebsgrad eines Kraft-Wärme-Kopplungsnetzes oder eines Kraft- Wärme-Kopplungskraftwerkes dar.

Weiterhin bietet die Möglichkeit, parallel auch noch niedrig temperierte Abwärme beliebiger Quellen nutzen zu können, die Möglichkeit eines Anstiegs der Gesamtenergieeffizienz. Dies ist beispielsweise in chemischen Verbundanlagen möglich, was das Verwerfen solcher Abwärmeströme oder das Ableiten derartiger Wärmeströme in die Umwelt oder an Kühltürme vermeidet. Darüber hinaus kann zudem die elektrische Mindestlast von bestehenden Kraftwerken flexibel in Abhängigkeit von der Bereitstellung von Elektrizität oder Strom aus erneuerbaren Energiequellen oder von aktuell herrschenden Marktpreisen gesenkt werden, wobei der gleiche Wärmeausstoß erhalten bleibt.

Insbesondere können das erfindungsgemäße Dampferzeugungssystem sowie das erfindungsgemäße Verfahren zur Dampferzeugung in Kombination mit einem Heißwasserwärmespeicher oder in Kombination mit einem Ruths-Dampfspeicher genutzt werden sowie in Geothermie-Netze und Fernwärmenetze mit dezentraler Dampfnutzung implementiert werden, von wo aus der jeweilige warme Fluidstrom 9 bereitgestellt wird. Eine vorteilhafte Implementierung besteht auch darin, das erfindungsgemäße Dampferzeugungssystem 17 und das erfindungsgemäße Verfahren zur Dampferzeugung mit einem Reboiler 22 einer Chemieanlage zur Wärmerückgewinnung von Kondensaten zu nutzen. Eine solche Anwendung ist in der Fig. 8 dargestellt. In dem Reboiler 22 wird von zugeführtem Sattdampf 11 mit höherem Druck Wärmeenergie an ein Fluid eines beheizten Reaktors 23 abgegeben. Aus dem Sattdampf 11 bildet sich in dem Reboiler 22 Kondensat, das dann über eine Leitung 24 als Fluidstrom 9 der Hochtemperaturwärmepumpe 1 zugeführt wird. Hier wird auf die vorstehend beschriebene Weise unter Verwendung eines Überhitzers 3 Sattdampf 1 erzeugt, der dann wiederum dem Reboiler 22 zugeführt wird. Der Kondensatrücklauf bildet also eine nutzbare Wärmequelle in Anlagen der Chemieindustrie und der Geothermie.

Mit dem erfindungsgemäßen Dampferzeugungssystem 17 und dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Dampferzeugung lässt sich also Prozessdampf aus Fernwärme und Strom, hier beispielsweise auch Strom aus erneuerbarer Energie, erzeugen. Ebenso ist es möglich, Prozessdampf aus industrieller Abwärme, die z.B. in Chemieprozessen oder in Stahlwerkprozessen entsteht, zu erzeugen. Im Fernwärmenetz, beispielsweise im Fernwärmenetz des Ruhrgebietes, können das erfindungsgemäße Dampferzeugungssystem 17 und das erfindungsgemäße Verfahren zur Dampferzeugung zur Dampferzeugung in der mittelständischen Industrie (beispielsweise für Joghurtfabriken, Krankenhäuser) Verwendung finden. Auch wenn die bisherigen Ausführungsbeispiele auf C0 ₂ als Wärmeträgerfluid des Wärmeträgerfluidkreislaufs 4 abstellen, kann auch Ammoniak (NH ₃ ) Verwendung finden, wobei dann aber anstelle des Expanders 7 eine Drossel 7a (oder ein Schraubenexpander) im Wärmeträgerfluidkreislauf angeordnet ist, wie dies der Fig. 9 zu entnehmen ist.

Ein solches Beispiel ist in der Fig. 9 dargestellt. Als Wärmequellen können hier die gleichen Wärmequellen verwendet werden, wie sie vorstehend im Zusammenhang mit den Ausführungsbeispielen nach den Fig. 1 bis 8 erläutert sind. Ebenso sind die dort erläuterten Kombinationen oder Verwendungen auch nach der Ausführungsform nach der Fig. 9 möglich. Das Ausführungsbeispiel nach der Fig. 9 unterscheidet sich zunächst einmal darin, dass hier ein Ammoniakreislauf dargestellt ist, bei welchem mittels des in dem Wärmeträgerfluidkreislauf 4 angeordneten Kompressors 5 Ammoniak auf einen Druck von > 80 bar und eine Temperatur von -Ϊ 160 °C verdichtet und erwärmt wird. Dieses Ammoniak-Wärmeträgerfluid wird dann der Wärmeenergieausspeisevorrichtung 6 zugeführt, die aus zwei Wärmetauschern 6a, 6b besteht, in welchen zugeführtes Wasser 10 zu Frischdampf 11 verdampft wird. In Strömungsrichtung nach der Wärmeenergieausspeisevorrichtung 6 weist das Wärmeträgerfluid eine Temperatur von 94 °C bei einem Druck von 86 bar auf, welchen Druck das Wärmeträgerfluid auch bereits eingangsseitig der Wärmeenergieausspeisevorrichtung aufweist. Danach durchströmt das Wärmeträgerfluid eine Drossel 7a oder stattdessen einen nicht dargestellten Schraubenexpander und wird auf einen Druck von 37 bar bei 75 °C entspannt. Dieses Wärmeträgerfluid fließt dann der Wärmeenergieeinspeisevorrichtung 8 zu, in welcher es durch Wärmeübertragung von einer Wärmequelle (warmer Fluidstrom 9) geringfügig Wärme aufnimmt, aber nach Durchströmen der Wärmeenergieeinspeisevorrichtung immer noch im Wesentlichen um die 75 °C bei einem Druck von 37 bar aufweist. Der zufließende warme Fluidstrom 9 (Wärmequelle), beispielsweise heißes Wasser, strömt der Wärmeenergieeinspeisevorrichtung in dem Ausführungsbeispiel mit einer Temperatur von 95 °C zu und verlässt diese mit einer Temperatur von 80 °C.

Der in der Wärmeenergieausspeisevorrichtung 6 gebildete Dampf wird danach einem mehrstufigen Dampfkompressor 2a-2d zugeführt, wobei der Dampf 1 in den ersten drei Stufen 2a-2c zu einem Prozessdampf von 7 bar und einer Temperatur von 175 °C verdichtet wird. Zwischen den einzelnen Verdichter- oder Kompressorstufen ist jeweils eine Einspritzkühlung mittels zugeführtem Einspritzwasser 25 angeordnet. Dieser Prozessdampf wird dann stromabwärts der Kompressionsstufe 2c einer weiteren Kompressionsstufe 2d zugeleitet, wobei ihm allerdings auf diesem Wege von der Kompressionsstufe 2c zu der Kompressionsstufe 2d über eine Zusatzdampfeinspeisung 26 Dampf mit einem Druck von 7 bar und einer Temperatur von 174 °C zugeführt wird. Dieser gemischte Prozessdampf wird dann in der letzten Kompressionsstufe 2d zu einem Prozessdampf von 15 bar und einer Temperatur von 208 °C verdichtet und komprimiert.

Bei allen Ausführungsbeispielen ist es ferner möglich, dass Dampferzeugungssystem 17 und die jeweilige Hochtemperaturwärmepumpe 1 dadurch in den Wasser/Dampfkreislauf eines zugeordneten Dampfkraftwerkes einzubinden, dass aus dem Wasser/Dampfkreislauf des zugeordneten Dampfkraftwerkes stammendes Speisewasser dem Dampferzeugungssystem 17 als Wasser 10 zugeführt wird.