Aus der DE 43 17 947 Cl ist ein Verfahren zur Umwandlung thermischer Energie eines Gases in mechanische Arbeit be- kannt. Dabei wird Luft quasi isotherm komprimiert. Danach wird die komprimierte Luft isobar mittels eines Regenerators erhitzt. Die heiße komprimierte Luft wird dann mittels Bren- nern in einem zweiten Schritt weiter erhitzt und schließlich in eine Gasturbine entspannt. Ein Teil der heißen komprimier- ten Luft wird vor dem Eintritt in die Brenner abgezweigt und zur Vorwärmung des zum Betrieb der Brenner erforderlichen Brennstoffs benutzt. Die aus der Gasturbine austretende ent- spannte warme Abluft, wird über einen zweiten Regenerator ge- leitet, der wechselweise anstelle des Regenerators in den Turbinenzweig eingeschaltet wird.-Das Erhitzen der kompri- mierten Luft mittels eines Regenerators und nachgeschalteter Brenner ist aufwendig. Im Falle des Einsatzes fester Brenn- stoffe ist hier eine besondere Vergasungseinrichtung vorzuse- hen.

Aus der DE 44 26 356 AI ist eine Vorrichtung zum Trocknen von Grünfutter, Spänen und dgl., zur Wärme-und Stromerzeugung bekannt. Dabei wird Biomasse in einer Brennkammer verbrannt.

Das heiße Rauchgas gelangt über einen Wärmetauscher. Dort gibt es seine Wärme an zuvor komprimierte und damit bereits

erwärmte Luft ab. Die heiße komprimierte Luft wird in eine Gasturbine entspannt. Die aus der Gasturbine austretende war- me Abluft wird zur Trocknung von Spänen, Schnitzeln, Grünfut- ter oder dgl. benutzt. Sie kann aber auch als vorgewärmte Verbrennungsluft der Brennkammer zugeführt werden.-Die Vor- richtung ist primär eine Trocknungsvorrichtung. Sie eignet sich nicht zur effizienten Erzeugung von Strom. Der die Um- setzung der thermischen Energie in mechanische Arbeit betref- fende Wirkungsgrad ist hier nicht besonders hoch.

Aus der EP 0 654 591 AI ist eine Vorrichtung zur Gewinnung elektrischer Energie aus Brennstoffen bekannt. Dabei wird verdichtete Luft mittels mehrerer hintereinander geschalteter Wärmetauscher erhitzt und anschließend auf eine Turbine ge- leitet. Die bekannte Vorrichtung ist kompliziert aufgebaut.

Sie ist nicht besonders effizient.

Die DE 39 31 582 AI beschreibt ein Verfahren zur Nutzung von Hochtemperaturabwärme. Dabei sind zwei Regenerativ-Wärme- speicher vorgesehen, welche wechselweise von einem Abgas-in einen Turbinenzweig geschaltet werden. Ahnliche Verfahren sind aus den Patent Abstracts of Japan JP 62085136 A sowie JP 61028726 A bekannt. Die Effizienz dieser Verfahren ist ver- bessert, nicht jedoch optimal.

Aufgabe der Erfindung ist es, die Nachteile nach dem Stand der Technik zu beseitigen. Es soll insbesondere ein Verfahren angegeben werden, das eine effiziente Umsetzung von aus der Verbrennung von Biomasse gewonnener thermischer Energie in mechanische Arbeit ermöglicht. Weiteres Ziel ist es, eine ko- stengünstige Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens an- zugeben.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale der Ansprüche 1 und 14 gelöst. Zweckmäßige Ausgestaltungen ergeben sich aus den Merkmalen der Ansprüche 2 bis 15 und 16 bis 22.

Nach Maßgabe der Erfindung ist ein Verfahren zur Umwandlung von thermischer Energie in mechanische Arbeit vorgesehen, wo- bei ein erstes und ein zweites Mittel zum Speichern thermi- scher Energie wechselweise in einen Turbinenzweig eingeschal- tet werden, mit folgenden Schritten : a) Komprimieren eines oxidierenden Gases, wobei dessen Tem- peratur von Umgebungstemperatur RT auf eine erste Tempe- ratur T1 und dessen Druck auf einen ersten Druck Pl er- höht wird, b) Abkühlen des komprimierten Gases auf eine zweite Tempe- ratur T2, c) Durchleiten des komprimierten Gases durch ein erstes Mittel zum Speichern thermischer Energie, wobei die Tem- peratur des Gases in einem Schritt auf eine dritte Tem- peratur T3 erhöht wird, d) Entspannen des ersten Drucks P1 in einer Gasturbine auf im wesentlichen Atmosphärendruck, wobei das Gas von der dritten Temperatur T3 auf eine vierte Temperatur T4 ab- gekühlt wird, e) Zuführen des Gases zu einer stromabwärts nachgeschalte- ten Brennkammer, f) Verbrennen von Biomasse zusammen mit dem Gas, und

g) Durchleiten der Rauchgase durch ein zweites Mittel zum Speichern thermischer Energie.

Als oxidierendes Gas kommt z. B. Luft, Sauerstoff, mit Sauer- stoff angereicherte Luft und dgl. in Betracht. Indem das kom- primierte Gas in einem Schritt, d. h. ohne das Zwischenschal- ten weiterer Wärmequellen, auf die dritte Temperatur erhöht wird, kann das Verfahren besonders effizient geführt werden.

Der erzielbare Gesamtwirkungsgrad beläuft sich auf etwa 74 %.

Die Abkühlung beim Schritt lit. b kann durch Beaufschlagung mit Flüssigkeit, vorzugsweise Wasser, oder durch einen Wärme- tauscher bewirkt werden. Die bei diesem Schritt durch die Ab- kühlung gewonnene thermische Energie kann als nutzbare Wärme ausgekoppelt werden. Das erhöht weiter die Effizienz des Ver- fahrens.

Beim Schritt lit. c kann ein Teilstrom des Gases durch einen Bypass am Mittel zum Speichern thermischer Energie vorbei ge- leitet werden. Die Abgasverluste der gesamten Vorrichtung können damit verringert werden.

Nach dem Schritt lit. d wird ein Teil des Gases zweckmäßiger- weise abgezweigt und zur Auskopplung thermischer Energie über einen Wärmetauscher geleitet und/oder mit der zu verbrennen- den Biomasse zu deren Trocknung in Kontakt gebracht. Nach ei- nem weiteren Ausgestaltungsmerkmal wird aus den bei der Ver- brennung gebildeten Rauchgasen Staub abgetrennt. Die Abtren- nung kann beispielsweise mittels eines Zyklons erfolgen.

Als besonders vorteilhaft hat es sich erwiesen, daß das Rauchgas beim Schritt lit. g in weniger als 200 ms auf eine Temperatur von weniger als 150°C, vorzugsweise 90 bis 110°C,

abgekühlt wird. Dadurch wird die Bildung von schädlichen Di- oxinen und Furanen unterbunden.

Für die Temperatur des Gases gilt zweckmäßigerweise : T2 < T1 < T4 < T3.

Die zweite Temperatur T2 ist vorzugsweise kleiner als 150° C, insbesondere kleiner als 100° C. Durch die Regeneratoren wird vorzugsweise abwechselnd Gas und Rauchgas durch ein Schüttgut mit einem maximalen Korndurchmesser geführt, das im Ringraum zwischen einem im wesentlichen zylinderförmigen Heißrost und einem diesen umgebenden Kaltrost aufgenommen ist, und wobei im Boden des Ringraums mindestens eine Ablaßöffnung zum Ab- lassen des Schüttguts vorgesehen ist, wobei während oder nach dem Durchführen von Rauchgas eine vorgegebene Menge von Schüttgut abgelassen wird, so daß eine vom Schüttgut auf den Heiß-und Kaltrost ausgeübte Druckspannung reduziert wird.

Die mittlere Korngröße des Schüttguts ist vorzugsweise klei- ner als 15 mm. Die nach dem vorgenannten Verfahren betriebe- nen sogenannten Schüttgutregeneratoren sind besonders effizi- ent und reparaturunanfällig.

Das abgelassene Schüttgut kann mittels eines Transportgases in den Ringraum zurückgeführt werden. Dabei wird nach dem Ab- trennen des Schüttguts vom Transportgas eine darin enthaltene Staubfraktion abgetrennt. Die Funktion der Schüttung als Fil- ter zur Entstaubung des durchgeführten Prozeßgases bleibt aufrechterhalten. Ferner ist das in die Umgebung abgegebene Transportgas unbelastet.

Um den Prozeß quasikontinuierlich zu führen, kann ein drittes Mittel zum Speichern thermischer Energie im Wechsel mit dem

ersten oder zweiten Mittel zum Speichern thermischer Energie in den Turbinenzweig eingeschaltet werden.

Nach weiterer Maßgabe der Erfindung wird eine Vorrichtung zur Umwandlung von thermischer Energie in mechanische Arbeit vor- geschlagen, wobei vorgesehen sind : ein Turbinenzweig mit -einem Kompressor zum Verdichten eines angesaugten oxi- dierenden Gases, -einem stromabwärts nachgeschalteten Mittel zum Abkühlen des komprimierten Gases, -einem dem Mittel zum Abkühlen stromabwärts nachgeschal- teten ersten Schüttgutregenerator, -einer dem ersten Schüttgutregenerator stromabwärts nach- geschalteten Gasturbine, und einen Vorwärmzweig mit -einer stromabwärts des ersten Schüttgutregenerators nachgeschalteten Brennkammer, -einem stromabwärts der Brennkammer nachgeschalteten zweiten Schüttgutregenerator und -einem Mittel zum wechselweise Einschalten des zweiten Schüttgutregenerators in den Turbinen-und des ersten Schütt- gutregenerator in den Vorwärmzweig.

Als Schüttgutregeneratoren werden hier vorzugsweise die aus der DE 42 36 619 C2 oder aus der EP 0 908 692 A2 bekannten Schüttgutregeneratoren verwendet. Der Offenbarungsgehalt der vorgenannten Druckschriften wird hiermit einbezogen. Die Ver- wendung solcher Schüttgutregeneratoren führt zu einer beson- ders effizienten arbeitenden Vorrichtung.

Die Gasturbine, der Kompressor und ein Generator sind zweck- mäßigerweise auf einer Welle angeordnet. Durch die unmittel- bare Übertragung der mechanischen Arbeit von der Gasturbine auf den Kompressor und den Generator werden Reibungsverluste vermieden.

Nach einem weiteren Ausgestaltungsmerkmal kann der Brennkam- mer eine Rauchgasreinigungseinrichtung nachgeschaltet sein.

Zwischen die Gasturbine und die Brennkammer kann ferner ein Wärmetauscher zum Auskoppeln thermischer Energie eingeschal- tet sein. Die vorgenannten Merkmale tragen weiter zur Umwelt- verträglichkeit sowie zur Steigerung der Effizienz der Vor- richtung bei.

Nach einem besonders bevorzugten Ausgestaltungsmerkmal ist beim Schüttgutregenerator ein im wesentlichen zylinderförmig ausgebildeter Heißrost koaxial von einem Kaltrost umgeben und in einem zwischen dem Heiß-und Kaltrost gebildeten Ringraum ein Schüttgut mit einem maximalen Korndurchmesser Dmax aufge- nommen ist, wobei der Heiß-und/oder Kaltrost so ausgebildet ist/sind, daß das Schüttgut beim Aufheizen sich radial aus- dehnen kann.-Ein solcher Schüttgutregenerator weißt eine besonders lange Standzeit auf. Wegen Einzelheiten wird auf die EP 0 908 692 A2 verwiesen. Solche Schüttgutregeneratoren zeichnen sich durch besonders niedrige Energieverluste und eine hohe Wärmerückgewinnung aus.

Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung können auch bei kleinen elektrischen Leistungen, d. h. kleiner 2 MW, hohe elektrische Wirkungsgrade erreicht werden. Ferner kann mittels der erfin- dungsgemäßen Vorrichtung Wärme ausgekoppelt und einem separa- ten Kreislauf z. B. als Nutzwärme für Trocknungszwecke zuge- führt werden.

Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen : Fig. 1 ein erstes Flußdiagramm, Fig. 2 ein zweites Flußdiagramm, Fig. 3 ein drittes Flußdiagramm und Fig. 4 ein viertes Flußdiagramm.

In Fig. 1 ist schematisch eine erste Vorrichtung zur Umwand- lung von thermischer Energie in mechanische Arbeit gezeigt.

Im Turbinenzweig T ist ein Kompressor 1 mit einem Generator 2 auf der Welle einer Gasturbine 3 angeordnet. In eine vom Kom- pressor 1 zu einem ersten Regenerator 4 führenden Leitung ist ein erster Wärmetauscher 5 eingeschaltet. Vom ersten Regene- rator 4 führt eine Leitung zur Gasturbine 3. Die aus der Ga- sturbine 3 austretende Abluft wird über eine weitere Leitung einer Brennkammer 6 als vorgewärmte Verbrennungsluft zuge- führt. Die Brennkammer 6 ist Bestandteil eines mit dem Be- zugszeichen V bezeichneten Vorwärmzweigs. Als weiterer Aus- gangsstoff für die Verbrennung wird der Brennkammer 6 die mit dem Bezugszeichen 7 bezeichnete Biomasse zugeführt. Das ge- bildete Rauchgas 19 wird über eine Rauchgasentstaubungsvor-

richtung, z. B. einen Zyklon 8, gereinigt und einem zweiten Regenerator 9 zugeführt. Das abgekühlte Rauchgas 19 gelangt schließlich vom zweiten Regenerator 9 in den Kamin 10.-Der erste 4 und der zweite Regenerator 9 sind vorzugsweise als Schüttgutregeneratoren ausgebildet.

Die Funktion der Vorrichtung ist folgende : Mit dem Bezugszei- chen 11 bezeichnete Luft wird bei einer Umgebungstemperatur RT von etwa 15° C vom Kompressor 1 angesaugt und auf einen ersten Druck P1 von etwa 4 bar komprimiert. Dabei erhöht sich die Temperatur der Luft 11 auf eine erste Temperatur T1 von etwa 200° C. Im ersten Wärmetauscher 5 wird die komprimierte Luft 11 auf eine zweite Temperatur T2 von etwa 90° C abge- kühlt. Der erste Druck Pl bleibt im wesentlichen konstant. Er beträgt am Eingang des ersten Regenerators 4 etwa 3,9 bar.

Die Luft 11 wird durch einen im ersten Regenerator 4 befind- lichen ersten Ringraum 12 geführt, in dem heißes Schüttgut, z. B. A1203-Kugeln mit einem Durchmesser von etwa 8 mm, als Wärmespeicher aufgenommen ist. Durch das Durchleiten der Luft 11 durch das heiße Schüttgut wird die Luft 11 auf eine dritte Temperatur von etwa 825° C erhöht. Der Druck der komprimier- ten Luft 11 bleibt im wesentlichen unverändert. Er beträgt am Eingang der Gasturbine 3 etwa 3,85 bar. Die heiße komprimier- te Luft 11 wird nun über der Gasturbine 3 entspannt und in mechanische Arbeit umgewandelt. Die entspannte Luft verläßt bei einer Temperatur von etwa 560° C und einem etwa dem Atmo- sphärendruck entsprechenden Druck von 1,06 bar die Gasturbine 3. Sie wird als vorgewärmte Verbrennungsluft 14 der Brennkam- mer 6 zugeführt. Überschüssige vorgewärmte Verbrennungsluft 14 kann ausgekoppelt und deren thermische Energie über einen zweiten Wärmetauscher 13 in nutzbare Wärme umgewandelt wer- den. Durch die Verbrennung der Biomasse 7 mit der vorgewärm- ten Verbrennungsluft 14 entstehen heiße Rauchgase 19 mit ei-

ner Temperatur von etwa 870° C. Die heißen Rauchgase 19 wer- den in der Rauchgasreinigungseinrichtung 8 entstaubt. Sie werden dann durch den Ringraum 15 des zweiten Regenerators 9 geführt und nach Abkühlung auf etwa 110° C über den Kamin 10 an die Umgebung abgegeben.

Mittels einer hier nicht gezeigten Vorrichtung können der er- ste 4 und der zweite Regenerator 9 wechselweise im Turbinen- zweig T bzw. im Vorwärmzweig V betrieben werden.

Bei der in Fig. 2 gezeigten Vorrichtung ist anstelle des er- sten Wärmetauschers 5 eine Vorrichtung zur Flüssigkeitsein- düsung 16 in den Turbinenzweig T eingeschaltet. Mittels die- ser Vorrichtung ist es möglich, die zweite Temperatur T2 auf etwa 70° C einzustellen. Es kann damit eine besonders hohe Leistung der Gasturbine 3 erzielt werden. Der Wirkungsgrad der Stromerzeugung kann damit auf 34,4 % gesteigert werden.

Gleichzeitig fällt der Gesamtwirkungsgrad wegen der verrin- gerten Wärmeleistung auf etwa 53 %.

Wie aus Fig. 3 ersichtlich ist, ist es auch möglich, im in den Turbinenzweig T eingeschalteten ersten Regenerator 4 Wär- me mit einer höheren Temperatur von bis zu 1100° C zu spei- chern. In diesem Fall liegt die Temperatur der vorgewärmten Luft am Ausgang des ersten Regenerators 4 bei etwa 1055° C.

Sie muß dann vor dem Eintritt in die Gasturbine 3 mittels ei- nes Bypasses 17 mit einem Teilstrom kühlerer Luft aus dem er- sten Wärmetauscher 5 gekühlt werden. Mittels eines Regelven- tils 18 kann die Eintrittstemperatur der Luft in die Gastur- bine auf 825° C eingestellt werden. Im zweiten Regenerator 9 kann so ein niedriger Durchfluß eingestellt werden. Die Menge an Rauchgas 19 wird reduziert. Die Abgas-und Kaminverluste

werden verringert. Der Wirkungsgrad des Verfahrens wird er- höht.

Fig. 4 zeigt eine Vorrichtung, bei der neben dem ersten 4 und dem zweiten Regenerator 9 ein dritter Regenerator 20 vorgese- hen ist. Der dritte Regenerator 20 kann im Wechsel mit dem ersten 4 und dem zweiten Regenerator 9 in den Turbinenzweig T oder dem Vorwärmzweig V eingeschaltet werden. Dazu sind Um- schaltventile 21 bis 32 in den entsprechenden Leitungen vor- gesehen.

Bezugszeichenliste 1 Kompressor 2 Generator 3 Gasturbine 4 erster Regenerator 5 erster Wärmetauscher 6 Brennkammer 7 Biomasse 8 Zyklon 9 zweiter Regenerator 10 Kamin 11 Luft 12 erster Ringraum 13 zweiter Wärmetauscher 14 Verbrennungsluft 15 zweiter Ringraum 16 Einrichtung zur Wassereindüsung 17 Bypaß 18 Regelventil 19 Rauchgas 20 dritter Regenerator 21-32 Umschaltventile T Turbinenzweig V Vorwärmzweig