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WO2024223360A1 - Method and assembly for using cooling potentials for generating electric energy using an orc circuit process - Google Patents

Method and assembly for using cooling potentials for generating electric energy using an orc circuit process Download PDF

Info

Publication number
WO2024223360A1
WO2024223360A1 PCT/EP2024/060238 EP2024060238W WO2024223360A1 WO 2024223360 A1 WO2024223360 A1 WO 2024223360A1 EP 2024060238 W EP2024060238 W EP 2024060238W WO 2024223360 A1 WO2024223360 A1 WO 2024223360A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
partial flow
partial
expander
heat
electrical energy
Prior art date
Application number
PCT/EP2024/060238
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Aldo Piacentini-Timm
Jonay Brandel
Original Assignee
Nullcozwei Gmbh
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Priority claimed from DE102023122824.2A external-priority patent/DE102023122824B4/en
Application filed by Nullcozwei Gmbh filed Critical Nullcozwei Gmbh
Publication of WO2024223360A1 publication Critical patent/WO2024223360A1/en

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Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01K—STEAM ENGINE PLANTS; STEAM ACCUMULATORS; ENGINE PLANTS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; ENGINES USING SPECIAL WORKING FLUIDS OR CYCLES
    • F01K25/00—Plants or engines characterised by use of special working fluids, not otherwise provided for; Plants operating in closed cycles and not otherwise provided for
    • F01K25/06—Plants or engines characterised by use of special working fluids, not otherwise provided for; Plants operating in closed cycles and not otherwise provided for using mixtures of different fluids
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01K—STEAM ENGINE PLANTS; STEAM ACCUMULATORS; ENGINE PLANTS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; ENGINES USING SPECIAL WORKING FLUIDS OR CYCLES
    • F01K25/00—Plants or engines characterised by use of special working fluids, not otherwise provided for; Plants operating in closed cycles and not otherwise provided for
    • F01K25/08—Plants or engines characterised by use of special working fluids, not otherwise provided for; Plants operating in closed cycles and not otherwise provided for using special vapours

Definitions

  • the present invention relates to a method and an arrangement for using cold potentials to generate electrical energy by means of an ORC cycle, in particular in the presence of a heat sink whose temperature gradient is significantly higher than the temperature gradient of a heat source.
  • ORC Organic Rankine Cycle
  • the method is used when the available temperature gradient between the heat source and sink is too low for the operation of a steam-driven turbine. This is the case, for example, in the generation of electricity using geothermal energy, combined heat and power and marine thermal power plants.
  • the ORC is therefore a process which consists of at least two circuits.
  • the pressurised and liquid working medium absorbs thermal energy from a heat source of choice via a heat exchanger and is evaporated.
  • the resulting steam expands in an expander and thus generates a torque to drive a turbine to generate electricity using a generator coupled to the turbine.
  • the gaseous working medium is evaporated in a condenser, a Heat exchanger, which uses the heat sink of choice as a coolant, cools it down and thereby converts it into its liquid state.
  • the liquid working medium is then brought back to operating pressure by a pump and fed back into the heat exchanger. The process begins again.
  • the expanded steam can be fed to a third heat exchanger, a so-called regenerator, before condensation and thus used for internal heat recovery for the evaporation process, thereby increasing the electrical efficiency.
  • a third heat exchanger a so-called regenerator
  • the working fluid used during an ORC process can be in pure form or in the form of a mixture of substances.
  • phase change the transition between the liquid and gaseous states, occurs isothermally, i.e. at a constant temperature.
  • zeotropic mixtures are used. These are mixtures whose components have different boiling points. As a result, the phase transition is not isothermal, in contrast to pure substances. During condensation and evaporation, a so-called temperature glide occurs, the extent of which depends on the composition of the mixture.
  • the mixture composition can be adjusted during the ORC process, whereby a distinction is made between continuous and discontinuous systems for adjustment.
  • the composition In discontinuous systems, the composition is the same everywhere in the system. When the operating situation changes, the composition is adjusted by separating and storing part of the working fluid. The change in composition therefore only occurs at certain times, ie discontinuously. The aim here is to adapt the cycle to changes in the operating conditions. [0012] In continuous systems, different compositions prevail at different points in the system. The adjustment of the composition takes place continuously. The aim is to optimize the cycle process, for example by making more favorable use of the heat source and sink (reduced exergetic losses during heat transfer) or by achieving more favorable pressure conditions.
  • the change in composition is realized either by means of a separator (passive system) or by means of a rectification column (active system).
  • T-s diagram temperature-entropy diagram
  • the aim of the cycle design is therefore to fill the area between heat source and sink in the T-s diagram as completely as possible.
  • LNG liquefied natural gas
  • Other examples with heat sources and sinks with comparable behavior are latent heat sources (heat transfer with phase change, eg during the condensation of water vapor), the supercritical evaporation of heat sinks and the combination of several heat sinks on different temperature levels in series connection (e.g. simultaneous low-temperature heating and hot water requirements).
  • US 2013/0 174 551 A1 discloses an organic Rankine cycle power generation system utilizing a highly fluidized working fluid.
  • this disclosure relates to a system that separates components of a working fluid to improve the effectiveness of a condenser, improve the thermal efficiency of the system, and reduce condenser costs compared to those of the condenser required for unseparated flow.
  • WO 2005/ 031 123 A1 discloses a closed-circuit device for generating electricity from a low-temperature heat source.
  • CN 1 03 306 764 A discloses a Kalina recirculation system with a two-phase expansion machine comprising a heating device, a separation device, expansion machines, a generation device, an absorption and cooling device and an amplification device.
  • KIM, Kyeongsu [et al.] Design and optimization of cascade organic Rankine cycle for recovering cryogenic energy from liquefied natural gas using binary working fluid.
  • Energy the international journal, Vol. 88, 2015, pp. 304-313.
  • DOI 10.1016/j.energy.2O15.05.047.
  • COLLINGS, Peter; YU, Zhibin ; WANG, Enhua A dynamic organic Rankine cycle using a zeotropic mixture as the working fluid with composition tuning to match changing ambient conditions.
  • Applied Energy Vol. 171, 2016, pp. 581-591.
  • DOI 10.1016/j.apenergy.2O16.03.014.
  • CN 2 06 233 960 U and CN 2 06 707 782 U disclose the development of a simplified method for adjusting the composition of the working medium using a modified condenser (liquid separation condenser). They describe a passive, discontinuous adjustment of the working medium. The disadvantage here is that the partial mass flow with a higher proportion of the volatile component is fed directly into the second condenser without first expanding it further, so that a significant part of the exergy remains unused.
  • CN 2 09 875 221 II discloses a system for reducing exergy losses during the ORC process, whereby a passive, continuous adjustment of the working medium takes place. The more volatile mixture component is not used to generate electricity after separation by the separator.
  • CN 1 02 797 525 A discloses a system circuit in which a passive, continuous adjustment of the working medium takes place. In this case, the more volatile mixture component is passed to the expansion machine after separation by the separator and then mixed with the saturated liquid flowing out of the separator.
  • CN 1 09 611 169 A discloses a system circuit which is intended to allow an independent adjustment of the mixture composition on the high and low pressure side in order to adapt to fluctuations in the heat source and sink.
  • the working medium is divided into a liquid and a vaporous phase after passing through a first turbine stage. Part of the vaporous phase is then expanded again in a second turbine stage and then condensed.
  • the two-stage condensation enables a better adaptation of the ORC circuit to the temperature gradient of the LNG and thereby reduces exergy losses.
  • the arrangement requires an expansion of the working fluid into the wet steam, which leads to material-related stresses on the turbine (risk of droplet erosion).
  • a pure substance is used as the working fluid, which means that the temperature profile of the ORC cycle during the Condensation is not adapted to the temperature profile of the heat sink as well as with a zeotropic mixture and higher exergy losses occur in comparison.
  • the object is achieved by a method for generating energy by means of an ORC cycle process, which has a heat sink and a heat source, wherein the following method steps are carried out: a) Heat sink-side extraction of heat from a working fluid x, wherein the working fluid x is a zeotropic mixture and has at least two mixture components with different boiling points. The working fluid x is present with a mixture composition xM. The heat sink-side extraction of heat takes place by means of a condenser KM. After passing through the condenser KM, the working fluid x is present as wet steam. b) Separation of the working fluid x with the mixture composition xM by means of at least one separation device T.
  • the mixture composition xM is changed into a first partial flow A and a second partial flow B.
  • the first partial flow A has a partial flow composition xA
  • the second partial flow B has a partial flow composition xB, where xA * xM * xB.
  • Expanding the partial flows A and B by means of at least one expander EM. The partial flows A and B are then fed back to the condenser KM and the process is carried out again from process step a).
  • Partial stream A has a larger proportion of a more volatile mixture component (with a lower boiling point) of the working fluid x.
  • Partial stream B has the larger proportion of a less volatile mixture component (with a higher boiling point) of the working fluid x.
  • the second partial stream B is present as a liquid phase and/or the first partial stream A is present as a gaseous phase.
  • the first partial stream A is present as a liquid phase.
  • liquefied natural gas and/or liquefied hydrogen is used as the heat sink.
  • Other heat sinks are conceivable.
  • a combination of several heat sinks at different temperature levels in a series connection is also conceivable, for example a simultaneous low-temperature heating and hot water requirement.
  • LH2 liquefied hydrogen
  • sea water and/or heat from the ground and/or outside air is used as the heat source.
  • Other heat sources are conceivable.
  • waste heat from agricultural and/or industrial processes e.g. from a biogas plant
  • Appropriately tempered exhaust gases e.g. from lime and cement kilns
  • Solar thermal energy can also be used.
  • Latent heat sources i.e. heat transfer from the source with phase change, e.g. during condensation of water vapor, can also be used.
  • the at least one separation device T comprises at least one separator and/or one rectification column.
  • the first partial flow expander EA2 and/or the expander EM are designed as a turbine which drives a generator to generate electricity.
  • Other embodiments of the expansion machine(s) are conceivable, for example in the form of a screw expander and/or steam engine/reciprocating piston expander.
  • the object is further achieved by an arrangement for energy generation, wherein the arrangement has a heat sink, a heat source and an ORC circuit.
  • the ORC circuit has a working fluid x, which is a zeotropic mixture and has at least two mixture components with different boiling points.
  • the working fluid x is present with a mixture composition xM.
  • the ORC circuit has a condenser KM arranged on the heat sink side and at least one separating device T for separating the working fluid x into at least a first partial flow A with the composition xA and a second partial flow B with the Composition xB.
  • the ORC circuit has a first partial flow expander EA2 and a second condenser KA for liquefying the partial flow A and two pumps PA and PB for increasing the pressure of the two partial flows A and B.
  • the ORC circuit has two evaporators VA and VB arranged on the heat source side for evaporating the partial flows A and B and at least one expander EM for expanding the partial flows A and B.
  • the heat sink is a reservoir with liquefied natural gas or liquefied hydrogen.
  • Other heat sinks are conceivable.
  • a combination of several heat sinks at different temperature levels in series connection is also conceivable, for example a simultaneous low-temperature heating and hot water requirement.
  • the use of supercritical heat sinks is also conceivable, e.g. the regasification of liquefied hydrogen (LH2) for feeding into a pipeline.
  • the heat source is a reservoir with sea water and/or the ground and/or outside air.
  • Other heat sources are conceivable.
  • waste heat from agricultural and/or industrial processes e.g. a biogas plant
  • Appropriately tempered exhaust gases e.g. from lime and cement kilns
  • Solar thermal energy can also be used.
  • Latent heat sources i.e. heat transfer from the source with phase change, e.g. during condensation of water vapor, can also be used.
  • the at least one separation device T comprises at least one separator and/or one rectification column.
  • At least one of the expanders EA2/EM is designed as a turbine which drives a generator to generate electricity.
  • Other embodiments of the Expansion machine(s) are conceivable, for example in the form of a screw expander and/or steam engine/reciprocating piston expander.
  • the method according to the invention and the arrangement according to the invention enable efficient energy generation by means of an ORC cycle, in particular in the presence of a heat sink whose temperature gradient is significantly higher than the temperature gradient of a heat source. In this case, exergy losses are minimized in comparison to conventional methods.
  • the basic concept here is an adjustment of the composition of the zeotropic working fluid within the system so that the temperature glide on the low-pressure side is as large as possible and that on the high-pressure side is as small as possible.
  • the change in the mixture composition is implemented using a separating device within the system.
  • Another advantage of the method according to the invention is the two-stage expansion of the partial flow A by means of the expander EA, so that a larger part of the theoretically usable exergy can be used to generate electricity.
  • Figure 1 shows an arrangement for energy generation
  • Figure 1 shows an embodiment of the arrangement according to the invention for generating energy by means of an ORC cycle, in particular in the presence of a heat sink whose temperature gradient is significantly higher than the temperature gradient of a heat source.
  • the arrangement has a heat sink, a heat source and an ORC cycle.
  • the ORC cycle has a working fluid x which is a zeotropic mixture and has at least two mixture components with different boiling points.
  • the working fluid x is present with a mixture composition xM.
  • the ORC circuit has a condenser KM arranged on the heat sink side and at least one separating device T for separating the working fluid x into at least a first partial flow A with the composition xA and a second partial flow B with the composition xB.
  • the ORC circuit has a first partial flow expander EA2 and a second condenser KA for liquefying the partial flow A and two pumps PA and PB for increasing the pressure of the two partial flows A and B.
  • the ORC circuit has two evaporators VA and VB arranged on the heat source side for evaporating the partial flows A and B and at least one expander EM for expanding the partial flows A and B.
  • the partial mass flows A and B are brought together after the evaporators VA and VB and expanded together in an expander EM.
  • the advantage of this variant is that it saves the need for an expander.
  • the condenser KM so much heat is extracted from the working fluid with the mixture composition xM that the steam mass fraction is greatly reduced.
  • the working fluid After leaving the condenser KM, the working fluid enters the separating device T as wet steam and is divided into saturated liquid with the composition xB and saturated steam with the composition xA, where xA * xM * xB, in particular xA > xB.
  • the saturated steam with the composition xA is then expanded again in the first partial flow expander EA2 (if the separating device is a separator, the working fluid in the condenser KM must not be completely condensed, otherwise no change in the composition occurs.
  • the heat sink is a reservoir with liquefied natural gas or liquefied hydrogen.
  • Other heat sinks are conceivable.
  • a combination of several heat sinks at different temperature levels in series connection is also conceivable, for example a simultaneous low-temperature heating and hot water requirement.
  • the use of supercritical heat sinks is also conceivable, e.g. the regasification of liquefied hydrogen (LH2) for feeding into a pipeline.
  • the heat source is a reservoir with sea water and/or the ground and/or outside air.
  • Other heat sources are conceivable.
  • waste heat from agricultural and/or industrial processes e.g. a biogas plant
  • Appropriately tempered exhaust gases e.g. from lime and cement kilns
  • Solar thermal energy can also be used.
  • Latent heat sources i.e. heat transfer from the source with phase change, e.g. during condensation of water vapor, can also be used.
  • the at least one separating device T has at least one separator and/or a rectification column.
  • a realizable change in the mixture composition is significantly higher in a column than in a separator, but during rectification heat must be added to the column, which leads to losses in overall efficiency.
  • At least one of the expanders EA2/EM is designed as a turbine which drives a generator to generate electricity.
  • Other embodiments of the expansion machine(s) are conceivable, for example in the form of a screw expander and/or steam engine/reciprocating piston expander.
  • the expander EM of the arrangement for generating energy has a second partial flow expander EA for expanding the partial flow A and a third partial flow expander EB for expanding the partial flow B.
  • Figure 2 shows this alternative embodiment of the arrangement according to the invention for generating energy by means of an ORC cycle process.
  • Figure 2 shows a second partial flow expander EA and a third partial flow expander EB for separately expanding the partial flows A and B.
  • the partial flows A and B are only brought together again after passing through the expander in order to then be fed back into the condenser KM as working fluid x with the mixture composition xM.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Engine Equipment That Uses Special Cycles (AREA)

Abstract

The invention relates to a method and an assembly for using cooling potentials for generating electric energy using an ORC circuit process, in particular in the presence of a heat sink, the temperature gradient of which is substantially higher than the temperature gradient of a heat source. The aim of the invention is therefore to overcome the disadvantages of the prior art and provide an energy generating method which reduces energy losses during the generating process and which maximizes system efficiency. Additionally, the aim of the invention is to provide an assembly for carrying out the method. This is achieved by the features specified in the claims.

Description

Verfahren und Anordnung zur Nutzung von Kältepotentialen zur Erzeugung elektrischer Energie mittels eines ORC-KreisprozessesMethod and arrangement for using cold potentials to generate electrical energy by means of an ORC cycle
Beschreibung Description
[0001] Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Anordnung zur Nutzung von Kältepotentialen zur Erzeugung elektrischer Energie mittels eines ORC-Kreisprozesses, insbesondere beim Vorliegen einer Wärmesenke, deren Temperaturgradient wesentlich höher ist als der Temperaturgradient einer Wärmequelle. [0001] The present invention relates to a method and an arrangement for using cold potentials to generate electrical energy by means of an ORC cycle, in particular in the presence of a heat sink whose temperature gradient is significantly higher than the temperature gradient of a heat source.
[0002] Der Organic-Rankine-Cycle (ORC) bezeichnet einen rechtslaufenden Kreisprozess, welcher genutzt wird um Strom aus Niedertemperaturwärme zu erzeugen. [0002] The Organic Rankine Cycle (ORC) is a clockwise cycle that is used to generate electricity from low-temperature heat.
[0003] Er stellt ein Verfahren zum Betrieb von Dampfturbinen dar, wobei diese nicht mit Hilfe von Wasserdampf, sondern einem alternativen Arbeitsmittel angetrieben werden, welches günstigere Verdampfungseigenschaften bei tieferen Temperaturen und Drücken als Wasser besitzt. Zum Einsatz kommen organische Flüssigkeiten, beispielsweise Isobutan, Ethanol oder Toluol. [0003] It represents a method for operating steam turbines, whereby these are not driven by steam, but by an alternative working medium which has more favourable evaporation properties at lower temperatures and pressures than water. Organic liquids are used, for example isobutane, ethanol or toluene.
[0004] Das Verfahren findet Anwendung, wenn das zur Verfügung stehende Temperaturgefälle zwischen Wärmequelle und -senke zu niedrig für den Betrieb einer von Wasserdampf angetriebenen Turbine ist. Das ist z.B. bei der Stromerzeugung mit Hilfe der Geothermie, der Kraft-Wärme-Kopplung und Meereswärmekraftwerken der Fall. [0004] The method is used when the available temperature gradient between the heat source and sink is too low for the operation of a steam-driven turbine. This is the case, for example, in the generation of electricity using geothermal energy, combined heat and power and marine thermal power plants.
[0005] Der ORC stellt demnach ein Verfahren dar, welcher aus mindestens zwei Kreisläufen besteht. Im ersten Kreislauf nimmt das unter Druck stehende und flüssige Arbeitsmittel über einen Wärmetauscher thermische Energie einer Wärmequelle der Wahl auf und wird verdampft. Der daraus resultierende Dampf entspannt sich in einem Expander und erzeugt damit ein Drehmoment zum Antrieb einer Turbine zur Stromerzeugung mittels einem an die Turbine gekoppelten Generator. Im zweiten Kreislauf wird das gasförmige Arbeitsmittel in einem Kondensator, einem Wärmetauscher, welcher die Wärmesenke der Wahl als Kühlmittel nutzt, abgekühlt, und hierdurch in seinen flüssigen Aggregatzustand überführt. Anschließend wird das flüssige Arbeitsmittel durch eine Pumpe erneut auf Betriebsdruck gebracht und in den Wärmetauscher zurückgeführt. Der Prozess beginnt von Neuem. [0005] The ORC is therefore a process which consists of at least two circuits. In the first circuit, the pressurised and liquid working medium absorbs thermal energy from a heat source of choice via a heat exchanger and is evaporated. The resulting steam expands in an expander and thus generates a torque to drive a turbine to generate electricity using a generator coupled to the turbine. In the second circuit, the gaseous working medium is evaporated in a condenser, a Heat exchanger, which uses the heat sink of choice as a coolant, cools it down and thereby converts it into its liquid state. The liquid working medium is then brought back to operating pressure by a pump and fed back into the heat exchanger. The process begins again.
[0006] Die Integration weiterer interner Kreisläufe ist möglich. So kann z.B. der entspannte Dampf vor der Kondensation einem dritten Wärmetauscher, einem so genannten Regenerator, zugeführt und somit zur internen Wärmerückgewinnung für den Verdampfungsprozess genutzt werden, wodurch der elektrische Wirkungsgrad gesteigert wird. [0006] The integration of further internal circuits is possible. For example, the expanded steam can be fed to a third heat exchanger, a so-called regenerator, before condensation and thus used for internal heat recovery for the evaporation process, thereby increasing the electrical efficiency.
[0007] Das während eines ORC-Prozesses verwendete Arbeitsmittel kann sowohl in Reinform, als auch in Form eines Stoffgemisches vorliegen. [0007] The working fluid used during an ORC process can be in pure form or in the form of a mixture of substances.
[0008] Bei der Nutzung eines Reinstoffes als Arbeitsmittel erfolgt der Phasenwechsel, der Übergang zwischen dem flüssigen und gasförmigen Aggregatzustand, isotherm, das heißt bei gleichbleibender Temperatur. [0008] When a pure substance is used as a working medium, the phase change, the transition between the liquid and gaseous states, occurs isothermally, i.e. at a constant temperature.
[0009] Bei der Nutzung eines Stoffgemisches als Arbeitsmittel, kommen so genannte zeotrope Gemische zum Einsatz. Dies sind Gemische, deren Komponenten unterschiedliche Siedepunkte aufweisen. Hierdurch ist der Phasenübergang, im Gegensatz zu Reinstoffen, nicht isotherm. Es tritt bei Kondensation und Verdampfung ein so genannter Temperaturgleit auf, dessen Höhe abhängig von der Gemischzusammensetzung ist. [0009] When using a mixture of substances as a working medium, so-called zeotropic mixtures are used. These are mixtures whose components have different boiling points. As a result, the phase transition is not isothermal, in contrast to pure substances. During condensation and evaporation, a so-called temperature glide occurs, the extent of which depends on the composition of the mixture.
[0010] Hierbei kann die Gemischzusammensetzung während des ORC- Prozesses angepasst werden, wobei kontinuierliche und diskontinuierliche Systeme zur Anpassung unterschieden werden. [0010] The mixture composition can be adjusted during the ORC process, whereby a distinction is made between continuous and discontinuous systems for adjustment.
[0011] Bei diskontinuierlichen Systemen ist die Zusammensetzung in der Anlage überall gleich. Bei Änderungen der Betriebssituation wird durch Abtrennen und Speichern eines Teils des Arbeitsmittels die Zusammensetzung angepasst. Die Änderung der Zusammensetzung erfolgt also nur zu bestimmten Zeitpunkten, d.h. diskontinuierlich. Ziel hierbei ist eine Anpassung des Kreisprozesses an Änderungen der Betriebsbedingungen. [0012] Bei kontinuierlichen Systemen herrschen an verschiedenen Stellen in der Anlage verschiedene Zusammensetzungen. Die Anpassung der Zusammensetzung erfolgt kontinuierlich. Ziel ist das Optimieren des Kreisprozesses durch z.B. günstigere Ausnutzung von Wärmequelle und - senke (verringerte exergetische Verluste beim Wärmeübergang) oder das Erreichen günstigerer Druckverhältnisse. [0011] In discontinuous systems, the composition is the same everywhere in the system. When the operating situation changes, the composition is adjusted by separating and storing part of the working fluid. The change in composition therefore only occurs at certain times, ie discontinuously. The aim here is to adapt the cycle to changes in the operating conditions. [0012] In continuous systems, different compositions prevail at different points in the system. The adjustment of the composition takes place continuously. The aim is to optimize the cycle process, for example by making more favorable use of the heat source and sink (reduced exergetic losses during heat transfer) or by achieving more favorable pressure conditions.
[0013] Die Änderung der Zusammensetzung wird entweder mithilfe eines Separators (passives System) oder mit einer Rektifikationskolonne (aktives System) realisiert. [0013] The change in composition is realized either by means of a separator (passive system) or by means of a rectification column (active system).
[0014] Die Problemstellung lässt sich im Temperatur-Entropie-Diagramm (T-s- Diagramm) darstellen, wobei die spezifische Kreisprozessarbeit der durch den ORC-Kreisprozess eingeschlossenen Fläche entspricht. Zum Erreichen einer maximalen Stromausbeute sollte diese so groß wie möglich sein. Die vom ORC-Kreisprozess nicht ausgefüllte Fläche zwischen Wärmequelle und -senke entspricht den Exergieverlusten. [0014] The problem can be represented in the temperature-entropy diagram (T-s diagram), where the specific cycle work corresponds to the area enclosed by the ORC cycle. To achieve maximum power yield, this should be as large as possible. The area between the heat source and sink not filled by the ORC cycle corresponds to the exergy losses.
[0015] Ziel des Kreisprozessdesigns ist daher das möglichst vollständige Ausfüllen der Fläche zwischen Wärmequelle und -senke im T-s- Diagramm. [0015] The aim of the cycle design is therefore to fill the area between heat source and sink in the T-s diagram as completely as possible.
[0016] Wenn für den ORC-Prozess eine Wärmesenke vorliegt, deren Temperaturgradient wesentlich höher ist als der Temperaturgradient der Wärmequelle, so entspricht dies im T-s-Diagramm idealisiert einem rechtwinkligen Dreieck, wobei es sich bei der Hypotenuse um die Wärmesenke handelt. [0016] If a heat sink is present for the ORC process whose temperature gradient is significantly higher than the temperature gradient of the heat source, this ideally corresponds to a right-angled triangle in the T-s diagram, with the hypotenuse being the heat sink.
[0017] Ein Beispiel für das Vorliegen solcher Randbedingungen ist die überkritische Verdampfung von Liquified Natural Gas (im Folgenden LNG oder Flüssigerdgas), mit der Wärmequelle Seewasser. Weitere Beispiele mit Wärmequellen und -senken vergleichbaren Verhaltens sind latente Wärmequellen (Wärmeübergang mit Phasenwechsel, u.a. bei der Kondensation von Wasserdampf), die überkritische Verdampfung von Wärmesenken und die Kombination mehrerer Wärmesenken auf unterschiedlichen Temperaturniveaus in serieller Schaltung (beispielsweise ein gleichzeitiger Niedertemperaturheiz- und Warmwasserbedarf). [0017] An example of the existence of such boundary conditions is the supercritical evaporation of liquefied natural gas (hereinafter LNG) with seawater as the heat source. Other examples with heat sources and sinks with comparable behavior are latent heat sources (heat transfer with phase change, eg during the condensation of water vapor), the supercritical evaporation of heat sinks and the combination of several heat sinks on different temperature levels in series connection (e.g. simultaneous low-temperature heating and hot water requirements).
[0018] Hierfür beschreibt der Stand der Technik unterschiedliche Anlagenschaltungen. [0018] For this purpose, the state of the art describes different system circuits.
[0019] US 2013 / 0 174 551 A1 offenbart ein Energieerzeugungssystem mit organischem Rankine-Zyklus, das ein stark gleitendes Arbeitsmedium nutzt. Insbesondere bezieht sich diese Offenbarung auf ein System, das Komponenten eines Arbeitsmediums trennt, um die Wirksamkeit eines Kondensators zu verbessern, den thermischen Wirkungsgrad des Systems zu verbessern und die Kondensatorkosten im Vergleich zu denen des Kondensators zu senken, die für einen ungetrennten Fluss benötigt werden. [0019] US 2013/0 174 551 A1 discloses an organic Rankine cycle power generation system utilizing a highly fluidized working fluid. In particular, this disclosure relates to a system that separates components of a working fluid to improve the effectiveness of a condenser, improve the thermal efficiency of the system, and reduce condenser costs compared to those of the condenser required for unseparated flow.
[0020] WO 2005/ 031 123 A1 offenbart ein Gerät mit geschlossenem Kreislauf zur Stromgewinnung aus einer Niedertemperatur-Wärmequelle. [0020] WO 2005/ 031 123 A1 discloses a closed-circuit device for generating electricity from a low-temperature heat source.
[0021] CN 1 03 306 764 A offenbart ein Kalina-Umwälzsystem mit einer zweiphasigen Expansionsmaschine, die eine Heizvorrichtung, eine Trennvorrichtung, Expansionsmaschinen, eine Erzeugungsvorrichtung, eine Absorptions- und Kühlvorrichtung und eine Verstärkungsvorrichtung umfasst. [0021] CN 1 03 306 764 A discloses a Kalina recirculation system with a two-phase expansion machine comprising a heating device, a separation device, expansion machines, a generation device, an absorption and cooling device and an amplification device.
[0022] KIM, Kyeongsu [et al.]: Design and optimization of cascade organic Rankine cycle for recovering cryogenic energy from liquefied natural gas using binary working fluid. In: Energy : the international journal, Vol. 88, 2015, S. 304-313. - ISSN 0360-5442 (P); 1873-6785 (E). DOI: 10.1016/j.energy.2O15.05.047. URL https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0360544215006283/pdf ft?md5=6aa7d1 dceOfOfe3bOd21550065a1 df20&pid=1 -s2.0- S0360544215006283-main.pdf [abgerufen am 2023-10-13] nutzen ein zeotropes Gemisch für einen ORC-Kreislauf mit LNG als Wärmesenke. Nachteilig ist hier der anlagentechnische Aufwand, da diese Veröffentlichung eine Kaskade von drei ORC-Kreisen beinhaltet. Dies geht mit vergleichsweise hohen Investitionskosten einher. Gleichzeitig ist von einer hohen Füllmenge an Arbeitsfluid auszugehen, was ebenfalls einen hohen Kostenfaktor darstellt. [0022] KIM, Kyeongsu [et al.]: Design and optimization of cascade organic Rankine cycle for recovering cryogenic energy from liquefied natural gas using binary working fluid. In: Energy: the international journal, Vol. 88, 2015, pp. 304-313. - ISSN 0360-5442 (P); 1873-6785 (E). DOI: 10.1016/j.energy.2O15.05.047. URL https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0360544215006283/pdf ft?md5=6aa7d1 dceOfOfe3bOd21550065a1 df20&pid=1 -s2.0- S0360544215006283-main.pdf [accessed on 2023-10-13] use a zeotropic mixture for an ORC cycle with LNG as a heat sink. The disadvantage here is the technical complexity, since this Publication includes a cascade of three ORC circuits. This is associated with comparatively high investment costs. At the same time, a high filling quantity of working fluid is to be expected, which also represents a high cost factor.
[0023] COLLINGS, Peter ; YU, Zhibin ; WANG, Enhua: A dynamic organic Rankine cycle using a zeotropic mixture as the working fluid with composition tuning to match changing ambient conditions. In: Applied Energy, Vol. 171 , 2016, S. 581-591. - ISSN 0306-2619(P); 1872-9118(E). DOI: 10.1016/j.apenergy.2O16.03.014. URL https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0306261916303257/pdf ft?md5=c6f2db0864cbc6300fed9afbbf36e00e&pid=1- s2.0S0306261916303257-main.pdf [abgerufen am 2023-10 -17] verfolgen die Aufgabe der dynamischen Anpassung der Zusammensetzung des Arbeitsmittels als Reaktion auf jahreszeitlich fluktuierende Bedingungen der Wärmesenke, in diesem Fall Luft. Sie beschreiben eine aktive, diskontinuierliche Anpassung des Arbeitsmittels, wobei die Kolonne jedoch nicht direkt in den ORC-Kreislauf eingebunden, sondern in einem separaten Regelkreis untergebracht ist. Als Ergebnis der Rektifikation können die beiden Gemischkomponenten des Arbeitsmittels getrennt gespeichert und nach Bedarf dem ORC-Prozess zugeführt werden, wobei eine gemeinsame Verdampfung der Komponenten erfolgt. [0023] COLLINGS, Peter; YU, Zhibin ; WANG, Enhua: A dynamic organic Rankine cycle using a zeotropic mixture as the working fluid with composition tuning to match changing ambient conditions. In: Applied Energy, Vol. 171, 2016, pp. 581-591. - ISSN 0306-2619(P); 1872-9118(E). DOI: 10.1016/j.apenergy.2O16.03.014. URL https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0306261916303257/pdf ft?md5=c6f2db0864cbc6300fed9afbbf36e00e&pid=1- s2.0S0306261916303257-main.pdf [accessed on 2023-10 -17] pursue the task of dynamic adaptation the composition of the working fluid in response to seasonal fluctuations in the conditions of the heat sink, in this case air. They describe an active, discontinuous adjustment of the working fluid, whereby the column is not directly integrated into the ORC circuit, but is housed in a separate control circuit. As As a result of rectification, the two mixture components of the working fluid can be stored separately and fed to the ORC process as required, whereby the components are evaporated together.
[0024] In den Veröffentlichungen CN 2 06 233 960 U und CN 2 06 707 782 U wird die Entwicklung einer vereinfachteren Methode zur Anpassung der Zusammensetzung des Arbeitsmittels mittels eines modifizierten Kondensators (liquid separation condenser) offenbart. Sie beschreiben eine passive, diskontinuierliche Anpassung des Arbeitsmittels. Nachteilig hierbei ist, dass der Teilmassenstrom mit höherem Anteil der flüchtigen Komponente direkt in den zweiten Kondensator geführt wird, ohne diesen vorher weiter zu expandieren, sodass ein wesentlicher Teil der Exergie ungenutzt bleibt. [0025] CN 2 09 875 221 II offenbart ein System zur Reduktion der Exergieverluste während des ORC-Prozesses, wobei eine passive, kontinuierliche Anpassung des Arbeitsmittels erfolgt. Die volatilere Gemischkomponente wird nach der Abtrennung durch den Separator nicht zur Stromerzeugung genutzt. [0024] The publications CN 2 06 233 960 U and CN 2 06 707 782 U disclose the development of a simplified method for adjusting the composition of the working medium using a modified condenser (liquid separation condenser). They describe a passive, discontinuous adjustment of the working medium. The disadvantage here is that the partial mass flow with a higher proportion of the volatile component is fed directly into the second condenser without first expanding it further, so that a significant part of the exergy remains unused. [0025] CN 2 09 875 221 II discloses a system for reducing exergy losses during the ORC process, whereby a passive, continuous adjustment of the working medium takes place. The more volatile mixture component is not used to generate electricity after separation by the separator.
[0026] CN 1 02 797 525 A offenbart eine Anlagenschaltung, bei der eine passive, kontinuierliche Anpassung des Arbeitsmittels erfolgt. Hierbei wird die volatilere Gemischkomponente nach der Abtrennung durch den Separator zur Expansionsmaschine geleitet und anschließend mit der aus dem Separator ausströmenden gesättigten Flüssigkeit gemischt. [0026] CN 1 02 797 525 A discloses a system circuit in which a passive, continuous adjustment of the working medium takes place. In this case, the more volatile mixture component is passed to the expansion machine after separation by the separator and then mixed with the saturated liquid flowing out of the separator.
[0027] CN 1 09 611 169 A offenbart eine Anlagenschaltung, welche eine voneinander unabhängige Anpassung der Gemischzusammensetzung auf der Hoch- und Niederdruckseite zur Anpassung an Schwankungen der Wärmequelle und -senke erlauben soll. [0027] CN 1 09 611 169 A discloses a system circuit which is intended to allow an independent adjustment of the mixture composition on the high and low pressure side in order to adapt to fluctuations in the heat source and sink.
[0028] ASTOLFI, Marco [et al.]: Cryogenic ORC to enhance the efficiency of LNG regasification terminals. In: Energy Procedia, Vol. 129, 2017, S. 42-49. - ISSN 1876-6102. DOI: 10.1016/j.egypro.2017.09.177. URL: https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1876610217340912/pdf ?md5=a73deObad65f42d9e314c7f57c2671a4&pid=1-s2.0- S1876610217340912mxain.pdf [abgerufen am 2023-10-17] beschreiben einen ORC-Prozess mit der Wärmesenke LNG. Hierbei wird das Arbeitsmittel nach Durchlaufen einer ersten Turbinenstufe in eine flüssige und eine dampfförmige Phase aufgeteilt. Ein Teil der dampfförmigen Phase wird nun in einer zweiten Turbinenstufe erneut entspannt und im Anschluss kondensiert. Die zweistufige Kondensation ermöglicht eine bessere Anpassung des ORC-Kreises an den Temperaturgradienten des LNG und verringert dadurch Exergieverluste. Allerdings erfordert die Anordnung eine Expansion des Arbeitsmittels in den Nassdampf hinein, was zu materialtechnischen Belastungen der Turbine führt (Gefahr von Tropfenerosion). Weiterhin wird als Arbeitsmittel ein Reinstoff verwendet, wodurch der Temperaturverlauf des ORC-Kreisprozesses während der Kondensation nicht so gut wie bei einem zeotropen Gemisch an das Temperaturprofil der Wärmesenke angepasst wird und im Vergleich höhere Exergieverluste auftreten. [0028] ASTOLFI, Marco [et al.]: Cryogenic ORC to enhance the efficiency of LNG regasification terminals. In: Energy Procedia, Vol. 129, 2017, pp. 42-49. - ISSN 1876-6102. DOI: 10.1016/j.egypro.2017.09.177. URL: https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1876610217340912/pdf ?md5=a73deObad65f42d9e314c7f57c2671a4&pid=1-s2.0- S1876610217340912mxain.pdf [accessed on 2023-10-17] describe an ORC process with the heat sink LNG. Here, the working medium is divided into a liquid and a vaporous phase after passing through a first turbine stage. Part of the vaporous phase is then expanded again in a second turbine stage and then condensed. The two-stage condensation enables a better adaptation of the ORC circuit to the temperature gradient of the LNG and thereby reduces exergy losses. However, the arrangement requires an expansion of the working fluid into the wet steam, which leads to material-related stresses on the turbine (risk of droplet erosion). Furthermore, a pure substance is used as the working fluid, which means that the temperature profile of the ORC cycle during the Condensation is not adapted to the temperature profile of the heat sink as well as with a zeotropic mixture and higher exergy losses occur in comparison.
Darstellung der Erfindung representation of the invention
[0029] Es ist Aufgabe der Erfindung die Nachteile des Standes der Technik zu beseitigen und ein Verfahren zur Energiegewinnung bereitzustellen, welches Exergieverluste während der Energiegewinnung reduziert und eine Anlageneffizienz maximiert. Ferner ist es Aufgabe der Erfindung eine Anordnung zur Durchführung des Verfahrens bereitzustellen. [0029] It is an object of the invention to eliminate the disadvantages of the prior art and to provide a method for generating energy which reduces exergy losses during energy generation and maximizes plant efficiency. Furthermore, it is an object of the invention to provide an arrangement for carrying out the method.
[0030] Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt durch die in den Ansprüchen aufgeführten Merkmale. [0030] This object is achieved by the features listed in the claims.
[0031] Die Lösung der Aufgabe erfolgt durch ein Verfahren zur Energiegewinnung mittels eines ORC-Kreisprozesses, welcher eine Wärmesenke und eine Wärmequelle aufweist, wobei folgende Verfahrensschritte durchlaufen werden: a) Wärmesenkenseitiges Entziehen von Wärme eines Arbeitsfluids x, wobei das Arbeitsfluid x ein zeotropes Gemisch ist und zumindest zwei Gemischkomponenten mit unterschiedlichen Siedepunkten aufweist. Das Arbeitsfluid x liegt mit einer Gemischzusammensetzung xM vor. Das wärmesenkenseitige Entziehen von Wärme erfolgt mittels eines Kondensators KM. Nach dem Passieren des Kondensators KM liegt das Arbeitsfluid x als Nassdampf vor. b) Auftrennen des Arbeitsfluids x mit der Gemischzusammensetzung xM mittels zumindest einer Trennvorrichtung T. Hierbei erfolgt eine Änderung der Gemischzusammensetzung xM in einen ersten Teilstrom A und einen zweiten Teilstrom B. Der erste Teilstrom A weist eine Teilstromzusammensetzung xA, und der zweite Teilstrom B eine Teilstromzusammensetzung xB auf, wobei gilt, dass xA * xM * xB ist. c) Entspannen des ersten Teilstroms A mittels eines ersten Teilstromexpanders EA2 und anschließendes Kondensieren des ersten Teilstroms A mittels eines zweiten Kondensators KA. d) Druckerhöhung der beiden Teilströme A und B mittels Pumpen PA und PB. e) Wärmequellenseitiges Verdampfen der verflüssigten und getrennten Teilströme A und B in Verdampfern VA und VB. f) Expandieren der Teilströme A und B mittels zumindest einem Expander EM. Anschließend erfolgt ein erneutes Zuführen der Teilströme A und B zum Kondensator KM und das Verfahren wird ab Verfahrensschritt a) erneut durchgeführt. [0031] The object is achieved by a method for generating energy by means of an ORC cycle process, which has a heat sink and a heat source, wherein the following method steps are carried out: a) Heat sink-side extraction of heat from a working fluid x, wherein the working fluid x is a zeotropic mixture and has at least two mixture components with different boiling points. The working fluid x is present with a mixture composition xM. The heat sink-side extraction of heat takes place by means of a condenser KM. After passing through the condenser KM, the working fluid x is present as wet steam. b) Separation of the working fluid x with the mixture composition xM by means of at least one separation device T. In this case, the mixture composition xM is changed into a first partial flow A and a second partial flow B. The first partial flow A has a partial flow composition xA, and the second partial flow B has a partial flow composition xB, where xA * xM * xB. c) Expanding the first partial flow A by means of a first partial flow expander EA2 and then condensing the first partial flow A by means of a second condenser KA. d) Increasing the pressure of the two partial flows A and B by means of pumps PA and PB. e) Evaporating the liquefied and separated partial flows A and B on the heat source side in evaporators VA and VB. f) Expanding the partial flows A and B by means of at least one expander EM. The partial flows A and B are then fed back to the condenser KM and the process is carried out again from process step a).
[0032] Teilstrom A weist einen größeren Anteil einer flüchtigeren Gemischkomponente (mit niedrigerem Siedepunkt) des Arbeitsfluids x auf. Teilstrom B weist der größeren Anteil einer weniger flüchtigeren Gemischkomponente (mit höherem Siedepunkt) des Arbeitsfluids x auf. [0032] Partial stream A has a larger proportion of a more volatile mixture component (with a lower boiling point) of the working fluid x. Partial stream B has the larger proportion of a less volatile mixture component (with a higher boiling point) of the working fluid x.
[0033] Gemäß verschiedener Ausführungsformen liegt nach dem Durchführen des Verfahrensschritts b) der zweite Teilstrom B als flüssige Phase und/oder der erste Teilstrom A als gasförmige Phase vor. [0033] According to various embodiments, after carrying out process step b), the second partial stream B is present as a liquid phase and/or the first partial stream A is present as a gaseous phase.
[0034] Gemäß verschiedener Ausführungsformen liegt nach dem Durchführen des Verfahrensschritts c) der erste Teilstrom A als flüssige Phase vor. [0034] According to various embodiments, after carrying out process step c), the first partial stream A is present as a liquid phase.
[0035] Gemäß verschiedener Ausführungsformen wird als Wärmesenke verflüssigtes Erdgas und/oder verflüssigter Wasserstoff verwendet. Andere Wärmesenken sind denkbar. Ferner denkbar ist eine Kombination mehrerer Wärmesenken auf unterschiedlichen Temperaturniveaus in serieller Schaltung, beispielsweise ein gleichzeitiger Niedertemperaturheiz- und Warmwasserbedarf. Ebenfalls denkbar ist die Nutzung überkritischer Wärmesenken, z.B. die Regasifizierung von verflüssigtem Wasserstoff (LH2) zur Einspeisung in eine Pipeline. [0035] According to various embodiments, liquefied natural gas and/or liquefied hydrogen is used as the heat sink. Other heat sinks are conceivable. A combination of several heat sinks at different temperature levels in a series connection is also conceivable, for example a simultaneous low-temperature heating and hot water requirement. Use of supercritical heat sinks, e.g. regasification of liquefied hydrogen (LH2) for injection into a pipeline.
[0036] Gemäß verschiedener Ausführungsformen wird als Wärmequelle Seewasser und/oder Wärme des Erdreichs und/oder Außenluft verwendet. Andere Wärmquellen sind denkbar. So kann beispielsweise Abwärme landwirtschaftlicher und/oder industrieller Prozesse, z.B. einer Biogasanlage, verwendet werden. Ebenfalls können entsprechend temperierte Abgase, beispielsweise aus Kalk- und Zementöfen, als Wärmequelle genutzt werden. Ferner kann Solarthermie genutzt werden. Auch latente Wärmequellen, d.h. Wärmeübergang der Quelle mit Phasenwechsel, z.B. bei Kondensation von Wasserdampf, können genutzt werden. [0036] According to various embodiments, sea water and/or heat from the ground and/or outside air is used as the heat source. Other heat sources are conceivable. For example, waste heat from agricultural and/or industrial processes, e.g. from a biogas plant, can be used. Appropriately tempered exhaust gases, e.g. from lime and cement kilns, can also be used as a heat source. Solar thermal energy can also be used. Latent heat sources, i.e. heat transfer from the source with phase change, e.g. during condensation of water vapor, can also be used.
[0037] Gemäß verschiedener Ausführungsformen weist die zumindest eine Trennvorrichtung T zumindest einen Separator und/oder eine Rektifikationskolonne auf. [0037] According to various embodiments, the at least one separation device T comprises at least one separator and/or one rectification column.
[0038] Gemäß verschiedener Ausführungsformen sind der erste Teilstromexpander EA2 und/oder der Expander EM als Turbine ausgebildet, welche einen Generator antreiben, um Strom zu erzeugen. Andere Ausgestaltungen der Entspannungsmaschine(n) sind denkbar, beispielsweise in Form eines Schraubenexpanders und/oder Dampfmotor/Hubkolbenexpanders. [0038] According to various embodiments, the first partial flow expander EA2 and/or the expander EM are designed as a turbine which drives a generator to generate electricity. Other embodiments of the expansion machine(s) are conceivable, for example in the form of a screw expander and/or steam engine/reciprocating piston expander.
[0039] Die Lösung der Aufgabe erfolgt ferner durch eine Anordnung zur Energiegewinnung, wobei die Anordnung eine Wärmesenke, eine Wärmequelle und einen ORC-Kreislauf aufweist. Der ORC-Kreislauf weist ein Arbeitsfluid x auf, welches ein zeotropes Gemisch ist und zumindest zwei Gemischkomponenten mit unterschiedlichen Siedepunkten aufweist. Das Arbeitsfluid x liegt mit einer Gemischzusammensetzung xM vor. Ferner weist der ORC-Kreislauf einen wärmesenkenseitig angeordneten Kondensator KM und zumindest eine Trennvorrichtung T zum Auftrennen des Arbeitsfluids x in zumindest einen ersten Teilstrom A mit der Zusammensetzung xA und einen zweiten Teilstrom B mit der Zusammensetzung xB auf. Des Weiteren weist der ORC-Kreislauf einen ersten Teilstromexpander EA2 und einen zweiten Kondensator KA zum Verflüssigen des Teilstroms A und zwei Pumpen PA und PB zur Druckerhöhung der beiden Teilströme A und B auf. Darüber hinaus weist der ORC-Kreislauf zwei wärmequellenseitig angeordnete Verdampfer VA und VB zum Verdampfen der Teilströme A und B und zumindest einen Expander EM zum Expandieren der Teilströme A und B auf. [0039] The object is further achieved by an arrangement for energy generation, wherein the arrangement has a heat sink, a heat source and an ORC circuit. The ORC circuit has a working fluid x, which is a zeotropic mixture and has at least two mixture components with different boiling points. The working fluid x is present with a mixture composition xM. Furthermore, the ORC circuit has a condenser KM arranged on the heat sink side and at least one separating device T for separating the working fluid x into at least a first partial flow A with the composition xA and a second partial flow B with the Composition xB. Furthermore, the ORC circuit has a first partial flow expander EA2 and a second condenser KA for liquefying the partial flow A and two pumps PA and PB for increasing the pressure of the two partial flows A and B. In addition, the ORC circuit has two evaporators VA and VB arranged on the heat source side for evaporating the partial flows A and B and at least one expander EM for expanding the partial flows A and B.
[0040] Gemäß verschiedener Ausführungsformen ist die Wärmesenke ein Reservoir mit verflüssigtem Erdgas oder verflüssigtem Wasserstoff. Andere Wärmesenken sind denkbar. Ferner denkbar ist eine Kombination mehrerer Wärmesenken auf unterschiedlichen Temperaturniveaus in serieller Schaltung, beispielsweise ein gleichzeitiger Niedertemperaturheiz- und Warmwasserbedarf. Ebenfalls denkbar ist die Nutzung überkritischer Wärmesenken, z.B. die Regasifizierung von verflüssigtem Wasserstoff (LH2) zur Einspeisung in eine Pipeline. [0040] According to various embodiments, the heat sink is a reservoir with liquefied natural gas or liquefied hydrogen. Other heat sinks are conceivable. A combination of several heat sinks at different temperature levels in series connection is also conceivable, for example a simultaneous low-temperature heating and hot water requirement. The use of supercritical heat sinks is also conceivable, e.g. the regasification of liquefied hydrogen (LH2) for feeding into a pipeline.
[0041] Gemäß verschiedener Ausführungsformen ist die Wärmequelle ein Reservoir mit Seewasser und/oder das Erdreich und/oder Außenluft. Andere Wärmquellen sind denkbar. So kann beispielsweise Abwärme landwirtschaftlicher und/oder industrieller Prozesse, z.B. einer Biogasanlage, verwendet werden. Ebenfalls können entsprechend temperierte Abgase, beispielsweise aus Kalk- und Zementöfen, als Wärmequelle genutzt werden. Ferner kann Solarthermie genutzt werden. Auch latente Wärmequellen, d.h. Wärmeübergang der Quelle mit Phasenwechsel, z.B. bei Kondensation von Wasserdampf, können genutzt werden. [0041] According to various embodiments, the heat source is a reservoir with sea water and/or the ground and/or outside air. Other heat sources are conceivable. For example, waste heat from agricultural and/or industrial processes, e.g. a biogas plant, can be used. Appropriately tempered exhaust gases, e.g. from lime and cement kilns, can also be used as a heat source. Solar thermal energy can also be used. Latent heat sources, i.e. heat transfer from the source with phase change, e.g. during condensation of water vapor, can also be used.
[0042] Gemäß verschiedener Ausführungsformen weist die zumindest eine Trennvorrichtung T zumindest einen Separator und/oder eine Rektifikationskolonne auf. [0042] According to various embodiments, the at least one separation device T comprises at least one separator and/or one rectification column.
[0043] Gemäß verschiedener Ausführungsformen ist zumindest einer der Expander EA2/EM als Turbine ausgebildet, welche einen Generator antreibt, um Strom zu erzeugen. Andere Ausgestaltungen der Entspannungsmaschine(n) sind denkbar, beispielsweise in Form eines Schraubenexpanders und/oder Dampfmotor/Hubkolbenexpanders. [0043] According to various embodiments, at least one of the expanders EA2/EM is designed as a turbine which drives a generator to generate electricity. Other embodiments of the Expansion machine(s) are conceivable, for example in the form of a screw expander and/or steam engine/reciprocating piston expander.
[0044] Bei der Betrachtung einer an den Carnot-Prozess angelehnten Anlage (Reinstoff als Arbeitsmittel mit isothermen Phasenwechsel) lässt sich anhand des T-s-Diagramms erkennen, dass sich in Bezug auf die Aufgabe hiermit keine optimalen Ergebnisse erzielen lassen. [0044] When considering a plant based on the Carnot process (pure substance as working medium with isothermal phase change), it can be seen from the T-s diagram that optimal results cannot be achieved with this in relation to the task.
[0045] Die Nutzung zeotroper Gemische (nicht-isothermer Phasenwechsel) als Arbeitsmittel eines ORC-Prozesses erscheint insofern vorteilhaft, als das sich der Kreisprozess besser als bei einem Reinstoff an die Temperaturgradienten (Differenz zwischen Ein- und Austrittstemperatur) von Wärmequelle und -senke anpassen lässt. Dies führt zu verringerten Exergieverlusten und somit zu einer höheren Kreisprozesseffizienz. Doch auch bei einem solchen Kreisprozess (z.B. Lorenz-Kreisprozess) treten wesentliche Exergieverluste auf, wobei die Anpassung der Zusammensetzung des Arbeitsmittels die Verluste minimieren kann. [0045] The use of zeotropic mixtures (non-isothermal phase change) as the working fluid of an ORC process appears to be advantageous in that the cycle can be adapted to the temperature gradients (difference between inlet and outlet temperature) of the heat source and sink better than with a pure substance. This leads to reduced exergy losses and thus to a higher cycle efficiency. However, even in such a cycle (e.g. Lorenz cycle) significant exergy losses occur, whereby adjusting the composition of the working fluid can minimize the losses.
[0046] Das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Anordnung ermöglichen eine effiziente Energiegewinnung mittels eines ORC- Kreisprozesses, insbesondere beim Vorliegen einer Wärmesenke, deren Temperaturgradient wesentlich höher ist als der Temperaturgradient einer Wärmequelle. Hierbei werden, im Vergleich zu konventionellen Verfahren, Exergieverluste minimiert. [0046] The method according to the invention and the arrangement according to the invention enable efficient energy generation by means of an ORC cycle, in particular in the presence of a heat sink whose temperature gradient is significantly higher than the temperature gradient of a heat source. In this case, exergy losses are minimized in comparison to conventional methods.
[0047] Hierbei ist das Grundkonzept eine Anpassung der Zusammensetzung des zeotropen Arbeitsfluids innerhalb der Anlage, sodass der Temperaturgleit auf der Niederdruckseite möglichst groß und der auf der Hochdruckseite möglichst klein wird. Die Änderung der Gemischzusammensetzung wird mithilfe einer Trennvorrichtung innerhalb der Anlage realisiert. Ferner vorteilhaft an dem erfindungsgemäßen Verfahren ist die zweistufige Expansion des Teilstroms A mittels des Expanders EA, sodass ein größerer Teil der theoretisch nutzbaren Exergie zur Stromerzeugung genutzt werden kann. Ausführung der Erfindung [0047] The basic concept here is an adjustment of the composition of the zeotropic working fluid within the system so that the temperature glide on the low-pressure side is as large as possible and that on the high-pressure side is as small as possible. The change in the mixture composition is implemented using a separating device within the system. Another advantage of the method according to the invention is the two-stage expansion of the partial flow A by means of the expander EA, so that a larger part of the theoretically usable exergy can be used to generate electricity. implementation of the invention
[0048] Die Erfindung wird anhand eines/mehrerer Ausführungsbeispiels näher erläutert. Hierzu zeigen Figur 1 Anordnung zur Energiegewinnung, [0048] The invention is explained in more detail using one or more embodiments. Figure 1 shows an arrangement for energy generation,
Figur 2 Alternative Anordnung zur Energiegewinnung. Figure 2 Alternative arrangement for energy generation.
[0049] In der Beschreibung wird auf die beigefügten Zeichnungen Bezug genommen, in denen zur Veranschaulichung spezifische Ausführungsformen gezeigt sind, in denen die erfindungsgemäße Anordnung ausgeübt werden kann. In dieser Hinsicht wird eine Richtungsterminologie wie etwa „oben“, „unten“ usw. mit Bezug auf die Orientierung der beschriebenen Zeichnungen verwendet. Die Richtungsterminologie dient der Veranschaulichung und ist auf keinerlei Weise einschränkend. [0049] In the description, reference is made to the accompanying drawings in which there is shown, by way of illustration, specific embodiments in which the arrangement according to the invention may be practiced. In this regard, directional terminology such as "above", "below", etc. will be used with reference to the orientation of the drawings described. The directional terminology is for purposes of illustration and is in no way limiting.
[0050] Es versteht sich, dass andere Ausführungsformen benutzt und strukturelle oder logische Änderungen vorgenommen werden können, ohne von dem Schutzumfang der vorliegenden Erfindung abzuweichen. Es versteht sich, dass die Merkmale der hierin beschriebenen verschiedenen beispielhaften Ausführungsformen miteinander kombiniert werden können, sofern nicht spezifisch anders angegeben. Die folgende ausführliche Beschreibung ist deshalb nicht in einschränkendem Sinne aufzufassen, und der Schutzumfang der vorliegenden Erfindung wird durch die angefügten Ansprüche definiert. [0050] It is to be understood that other embodiments may be utilized and structural or logical changes may be made without departing from the scope of the present invention. It is to be understood that the features of the various exemplary embodiments described herein may be combined with one another unless specifically stated otherwise. The following detailed description is, therefore, not to be taken in a limiting sense, and the scope of the present invention is defined by the appended claims.
[0051] In den Figuren werden identische oder ähnliche Elemente mit identischen Bezugszeichen versehen, soweit dies zweckmäßig ist. [0051] In the figures, identical or similar elements are provided with identical reference numerals where appropriate.
[0052] Die Figur 1 zeigt eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anordnung zur Energiegewinnung mittels eines ORC-Kreisprozesses, insbesondere beim Vorliegen einer Wärmesenke, deren Temperaturgradient wesentlich höher ist als der Temperaturgradient einer Wärmequelle. Die Anordnung weist eine Wärmesenke, eine Wärmequelle und einen ORC-Kreislauf auf. Der ORC-Kreislauf weist ein Arbeitsfluid x auf, welches ein zeotropes Gemisch ist und zumindest zwei Gemischkomponenten mit unterschiedlichen Siedepunkten aufweist. Das Arbeitsfluid x liegt mit einer Gemischzusammensetzung xM vor. Ferner weist der ORC-Kreislauf einen wärmesenkenseitig angeordneten Kondensator KM und zumindest eine Trennvorrichtung T zum Auftrennen des Arbeitsfluids x in zumindest einen ersten Teilstrom A mit der Zusammensetzung xA und einen zweiten Teilstrom B mit der Zusammensetzung xB auf. Des Weiteren weist der ORC-Kreislauf einen ersten Teilstromexpander EA2 und einen zweiten Kondensator KA zum Verflüssigen des Teilstroms A und zwei Pumpen PA und PB zur Druckerhöhung der beiden Teilströme A und B auf. Darüber hinaus weist der ORC-Kreislauf zwei wärmequellenseitig angeordnete Verdampfer VA und VB zum Verdampfen der Teilströme A und B und zumindest einen Expander EM zum Expandieren der Teilströme A und B auf. Hierbei werden die Teilmassenströme A und B nach den Verdampfern VA und VB zusammengeführt und gemeinsam in einem Expander EM expandiert. Vorteil dieser Variante ist die Einsparung eines Expanders. [0052] Figure 1 shows an embodiment of the arrangement according to the invention for generating energy by means of an ORC cycle, in particular in the presence of a heat sink whose temperature gradient is significantly higher than the temperature gradient of a heat source. The arrangement has a heat sink, a heat source and an ORC cycle. The ORC cycle has a working fluid x which is a zeotropic mixture and has at least two mixture components with different boiling points. The working fluid x is present with a mixture composition xM. Furthermore, the ORC circuit has a condenser KM arranged on the heat sink side and at least one separating device T for separating the working fluid x into at least a first partial flow A with the composition xA and a second partial flow B with the composition xB. Furthermore, the ORC circuit has a first partial flow expander EA2 and a second condenser KA for liquefying the partial flow A and two pumps PA and PB for increasing the pressure of the two partial flows A and B. In addition, the ORC circuit has two evaporators VA and VB arranged on the heat source side for evaporating the partial flows A and B and at least one expander EM for expanding the partial flows A and B. The partial mass flows A and B are brought together after the evaporators VA and VB and expanded together in an expander EM. The advantage of this variant is that it saves the need for an expander.
[0053] Im Kondensator KM wird dem Arbeitsfluid mit der Gemischzusammensetzung xM so viel Wärme entzogen, dass sich der Dampfmassenanteil stark verringert. Nach Verlassen des Kondensators KM tritt das Arbeitsfluid als Nassdampf in die Trennvorrichtung T ein und wird in gesättigte Flüssigkeit mit der Zusammensetzung xB und Sattdampf mit der Zusammensetzung xA aufgeteilt, wobei gilt xA * xM * xB, insbesondere xA > xB. Der Sattdampf mit der Zusammensetzung xA wird dann im ersten Teilstromexpander EA2 nochmals entspannt (handelt es sich bei der Trennvorrichtung um einen Separator, so darf das Arbeitsfluid im Kondensator KM nicht vollständig kondensiert werden, da sonst keine Änderung der Zusammensetzung erfolgt. Wird hingegen eine Kolonne verwendet, ist eine vollständige Kondensation in KM möglich, sodass Flüssigkeit und nicht wie beschrieben Nassdampf in die Trennvorrichtung eintreten kann). Der Sattdampf mit der Gemischzusammensetzung xA wird dann im ersten Teilstromexpander EA2 nochmals entspannt und im Kondensator KA kondensiert. Die beiden nun als Flüssigkeit vorliegenden Massenströme mit den Gemischzusammensetzungen xA und xB werden im Anschluss getrennt voneinander in den Pumpen PA und PB auf einen höheren Druck gebracht, in den Verdampfern VA und VB verdampft und im Expander EM entspannt. Vor oder im Expander EM werden die beiden Teilmassenströme zusammengeführt und es ergibt sich ein Gesamtmassenstrom M des Arbeitsfluids x mit der Gemischzusammensetzung xM. [0053] In the condenser KM, so much heat is extracted from the working fluid with the mixture composition xM that the steam mass fraction is greatly reduced. After leaving the condenser KM, the working fluid enters the separating device T as wet steam and is divided into saturated liquid with the composition xB and saturated steam with the composition xA, where xA * xM * xB, in particular xA > xB. The saturated steam with the composition xA is then expanded again in the first partial flow expander EA2 (if the separating device is a separator, the working fluid in the condenser KM must not be completely condensed, otherwise no change in the composition occurs. If, however, a column is used, complete condensation in KM is possible, so that liquid and not wet steam as described can enter the separating device). The saturated steam with the mixture composition xA is then expanded again in the first partial flow expander EA2 and in the Condenser KA condenses. The two mass flows, now present as liquids, with the mixture compositions xA and xB are then brought to a higher pressure separately in the pumps PA and PB, evaporated in the evaporators VA and VB and expanded in the expander EM. The two partial mass flows are combined before or in the expander EM and this results in a total mass flow M of the working fluid x with the mixture composition xM.
[0054] Gemäß verschiedener Ausführungsformen ist die Wärmesenke ein Reservoir mit verflüssigtem Erdgas oder verflüssigtem Wasserstoff. Andere Wärmesenken sind denkbar. Ferner denkbar ist eine Kombination mehrerer Wärmesenken auf unterschiedlichen Temperaturniveaus in serieller Schaltung, beispielsweise ein gleichzeitiger Niedertemperaturheiz- und Warmwasserbedarf. Ebenfalls denkbar ist die Nutzung überkritischer Wärmesenken, z.B. die Regasifizierung von verflüssigtem Wasserstoff (LH2) zur Einspeisung in eine Pipeline. [0054] According to various embodiments, the heat sink is a reservoir with liquefied natural gas or liquefied hydrogen. Other heat sinks are conceivable. A combination of several heat sinks at different temperature levels in series connection is also conceivable, for example a simultaneous low-temperature heating and hot water requirement. The use of supercritical heat sinks is also conceivable, e.g. the regasification of liquefied hydrogen (LH2) for feeding into a pipeline.
[0055] Gemäß verschiedener Ausführungsformen ist die Wärmequelle ein Reservoir mit Seewasser und/oder das Erdreich und/oder Außenluft. Andere Wärmequellen sind denkbar. So kann beispielsweise Abwärme landwirtschaftlicher und/oder industrieller Prozesse, z.B. einer Biogasanlage, verwendet werden. Ebenfalls können entsprechend temperierte Abgase, beispielsweise aus Kalk- und Zementöfen, als Wärmequelle genutzt werden. Ferner kann Solarthermie genutzt werden. Auch latente Wärmequellen, d.h. Wärmeübergang der Quelle mit Phasenwechsel, z.B. bei Kondensation von Wasserdampf, können genutzt werden. [0055] According to various embodiments, the heat source is a reservoir with sea water and/or the ground and/or outside air. Other heat sources are conceivable. For example, waste heat from agricultural and/or industrial processes, e.g. a biogas plant, can be used. Appropriately tempered exhaust gases, e.g. from lime and cement kilns, can also be used as a heat source. Solar thermal energy can also be used. Latent heat sources, i.e. heat transfer from the source with phase change, e.g. during condensation of water vapor, can also be used.
[0056] Gemäß verschiedener Ausführungsformen weist die zumindest eine Trennvorrichtung T zumindest einen Separator und/oder eine Rektifikationskolonne auf. Eine realisierbare Änderung der Gemischzusammensetzung ist bei einer Kolonne wesentlich höher als bei einem Separator, allerdings muss bei einer Rektifikation Wärme in die Kolonne zugeführt werden, was zu Einbußen in der Gesamteffizienz führt. [0056] According to various embodiments, the at least one separating device T has at least one separator and/or a rectification column. A realizable change in the mixture composition is significantly higher in a column than in a separator, but during rectification heat must be added to the column, which leads to losses in overall efficiency.
[0057] Gemäß verschiedener Ausführungsformen ist zumindest einer der Expander EA2/EM als Turbine ausgebildet, welche einen Generator antreibt, um Strom zu erzeugen. Andere Ausgestaltungen der Entspannungsmaschine(n) sind denkbar, beispielsweise in Form von eines Schraubenexpanders und/oder Dampfmotor/Hubkolbenexpanders. [0057] According to various embodiments, at least one of the expanders EA2/EM is designed as a turbine which drives a generator to generate electricity. Other embodiments of the expansion machine(s) are conceivable, for example in the form of a screw expander and/or steam engine/reciprocating piston expander.
[0058] Gemäß verschiedener Ausführungsformen weist der Expander EM der Anordnung zur Energiegewinnung einen zweiten Teilstromexpander EA zum Expandieren des Teilstroms A und einen dritten Teilstromexpander EB zum Expandieren des Teilstroms B auf. Die Figur 2 zeigt diese alternative Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anordnung zur Energiegewinnung mittels eines ORC-Kreisprozesses. Hierbei zeigt die Figur 2 einen zweiten Teilstromexpander EA und einen dritten Teilstromexpander EB zum getrennten Expandieren der Teilströme A und B. Hierbei werden die Teilströme A und B erst nach Durchlaufen der Expander wieder zusammengeführt, um dann als Arbeitsfluid x mit der Gemischzusammensetzung xM wieder in den Kondensator KM geleitet zu werden. [0058] According to various embodiments, the expander EM of the arrangement for generating energy has a second partial flow expander EA for expanding the partial flow A and a third partial flow expander EB for expanding the partial flow B. Figure 2 shows this alternative embodiment of the arrangement according to the invention for generating energy by means of an ORC cycle process. Figure 2 shows a second partial flow expander EA and a third partial flow expander EB for separately expanding the partial flows A and B. The partial flows A and B are only brought together again after passing through the expander in order to then be fed back into the condenser KM as working fluid x with the mixture composition xM.
Bezugszeichen reference sign
A erster Teilstrom A des Arbeitsfluids A first partial flow A of the working fluid
B zweiter Teilstrom B des Arbeitsfluids B second partial flow B of the working fluid
EA zweiter Teilstromexpander für den ersten Teilstrom AEA second partial flow expander for the first partial flow A
EA2 erster Teilstromexpander für den ersten Teilstrom AEA2 first partial flow expander for the first partial flow A
EB dritter Teilstromexpander für den zweiten Teilstrom BEB third partial flow expander for the second partial flow B
EM Expander EM Expander
KA zweiter Kondensator KA second capacitor
KM Kondensator KM capacitor
M Gesamtmassenstrom des Arbeitsfluids M total mass flow of the working fluid
PA Pumpe Teilstrom A PA Pump Partial Flow A
PB Pumpern Teilstrom B PB Pumpern Teilstrom B
T Trennvorrichtung T separator
VA Verdampfer Teilstrom A VA evaporator partial flow A
VB Verdampfer Teilstrom B x Arbeitsfluid xA Gemischzusammensetzung des ersten Teilstroms A xB Gemischzusammensetzung des zweiten Teilstroms B xM Gemischzusammensetzung des Gesamtmassenstroms VB evaporator partial flow B x working fluid xA mixture composition of the first partial flow A xB mixture composition of the second partial flow B xM mixture composition of the total mass flow

Claims

Ansprüche claims
1. Verfahren zur Nutzung von Kältepotentialen zur Erzeugung elektrischer Energie mittels eines ORC-Kreisprozesses aufweisend eine Wärmesenke und eine Wärmequelle, aufweisend die folgenden Verfahrensschritte: a) Wärmesenkenseitiges Entziehen von Wärme eines Arbeitsfluids x, welches ein zeotropes Gemisch aufweisend zumindest zwei Gemischkomponenten mit unterschiedlichen Siedepunkten ist und welches mit einer Gemischzusammensetzung xM vorliegt, wobei das wärmesenkenseitige Entziehen von Wärme mittels eines Kondensators KM erfolgt, wobei das Arbeitsfluid x nach Passieren des Kondensators KM als Nassdampf vorliegt, b) Auftrennen des Arbeitsfluids x mit der Gemischzusammensetzung xM mittels zumindest einer Trennvorrichtung T, derart, dass eine Änderung der Gemischzusammensetzung xM derart erfolgt, dass xM aufgetrennt wird in einen ersten Teilstrom A mit einer Teilstromzusammensetzung xA und einen zweiten Teilstrom B mit einer Teilstromzusammensetzung xB, wobei gilt xA * xM * xB, c) Entspannen und anschließendes Kondensieren des ersten Teilstroms A mittels eines ersten Teilstromexpanders EA2 und eines zweiten Kondensators KA, d) Druckerhöhung der beiden Teilströme A und B mittels Pumpen PA und PB, e) Wärmequellenseitiges Verdampfen der getrennten Teilströme A und B in den Verdampfern VA und VB, f) Expandieren der Teilströme A und B mittels zumindest einem Expander EM und anschließendes erneutes Zuführen zum Kondensator KM und erneutes Durchführen des Verfahrens ab Verfahrensschritt a). 1. Method for using cold potentials to generate electrical energy by means of an ORC cycle process having a heat sink and a heat source, comprising the following method steps: a) heat sink-side extraction of heat from a working fluid x, which is a zeotropic mixture having at least two mixture components with different boiling points and which is present with a mixture composition xM, wherein the heat sink-side extraction of heat takes place by means of a condenser KM, wherein the working fluid x is present as wet steam after passing through the condenser KM, b) separation of the working fluid x with the mixture composition xM by means of at least one separation device T, such that a change in the mixture composition xM takes place such that xM is separated into a first partial flow A with a partial flow composition xA and a second partial flow B with a partial flow composition xB, where xA * xM * xB applies, c) expansion and subsequent condensation of the first partial flow A by means of a first partial flow expander EA2 and a second condenser KA, d) increasing the pressure of the two partial streams A and B by means of pumps PA and PB, e) evaporating the separate partial streams A and B on the heat source side in the evaporators VA and VB, f) expanding the partial streams A and B by means of at least one expander EM and then feeding them again to the condenser KM and repeating the process from process step a).
2. Verfahren zur Nutzung von Kältepotentialen zur Erzeugung elektrischer Energie mittels eines ORC-Kreisprozesses gemäß Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass nach Durchführen des Verfahrensschritt b) der zweite Teilstrom B als flüssige Phase vorliegt und/oder der erste Teilstrom A als gasförmige Phase vorliegt. 2. A method for using cold potentials to generate electrical energy by means of an ORC cycle process according to claim 1, characterized in that after carrying out process step b), the second partial stream B is present as a liquid phase and/or the first partial stream A is present as a gaseous phase.
3. Verfahren zur Nutzung von Kältepotentialen zur Erzeugung elektrischer Energie mittels eines ORC-Kreisprozesses gemäß Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass nach Durchführen des Verfahrensschritt c) der erste Teilstrom A als flüssige Phase vorliegt. 3. A method for using cold potentials to generate electrical energy by means of an ORC cycle process according to claim 1, characterized in that after carrying out process step c), the first partial stream A is present as a liquid phase.
4. Verfahren zur Nutzung von Kältepotentialen zur Erzeugung elektrischer Energie mittels eines ORC-Kreisprozesses gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Wärmesenke verflüssigtes Erdgas und/oder verflüssigter Wasserstoff verwendet wird. 4. A method for utilizing cold potentials to generate electrical energy by means of an ORC cycle process according to one of the preceding claims, characterized in that liquefied natural gas and/or liquefied hydrogen is used as a heat sink.
5. Verfahren zur Nutzung von Kältepotentialen zur Erzeugung elektrischer Energie mittels eines ORC-Kreisprozesses gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Wärmequelle Seewasser und/oder Wärme des Erdreichs und/oder Außenluft und/oder eine Wärmequelle mit latentem Wärmeübergang verwendet wird. 5. Method for using cold potentials to generate electrical energy by means of an ORC cycle process according to one of the preceding claims, characterized in that sea water and/or heat from the ground and/or outside air and/or a heat source with latent heat transfer is used as the heat source.
6. Verfahren zur Nutzung von Kältepotentialen zur Erzeugung elektrischer Energie mittels eines ORC-Kreisprozesses gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest eine Trennvorrichtung T zumindest ein Separator und/oder eine Rektifikationskolonne ist. 6. A method for utilizing cold potentials to generate electrical energy by means of an ORC cycle process according to one of the preceding claims, characterized in that the at least one separation device T is at least one separator and/or one rectification column.
7. Verfahren zur Nutzung von Kältepotentialen zur Erzeugung elektrischer Energie mittels eines ORC-Kreisprozesses gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Teilstromexpander EA2 und/oder der Expander EM als Turbine ausgebildet sind, welche einen Generator antreiben, um Strom zu erzeugen. 7. Method for using cold potentials to generate electrical energy by means of an ORC cycle process according to one of the preceding claims, characterized in that the first partial flow expander EA2 and/or the expander EM are designed as a turbine which drives a generator to generate electricity.
8. Anordnung zur Nutzung von Kältepotentialen zur Erzeugung elektrischer Energie mittels eines ORC-Kreisprozesses gemäß einem Verfahren nach Anspruch 1 , wobei die Anordnung folgende Komponenten aufweist: eine Wärmesenke und eine Wärmequelle und einen ORC-Kreislauf, wobei der ORC-Kreislauf folgende Komponenten aufweist: ein Arbeitsfluid x, wobei das Arbeitsfluid x ein zeotropes Gemisch aufweisend zumindest zwei Gemischkomponenten mit unterschiedlichen Siedepunkten ist und welches mit einer Gemischzusammensetzung xM vorliegt, einen wärmesenkenseitig angeordneten Kondensator KM, zumindest eine Trennvorrichtung T zum Auftrennen des Arbeitsfluids x in zumindest einen ersten Teilstrom A mit der Zusammensetzung xA und einen zweiten Teilstrom B mit der Zusammensetzung xB, ferner aufweisend einen ersten Teilstromexpander EA2 und einen zweiten Kondensator KA zum Verflüssigen des Teilstroms A, zwei Pumpen PA und PB zur Druckerhöhung der beiden Teilströme A und B, ferner aufweisend zwei wärmequellenseitig angeordnete Verdampfer VA und VB zum Verdampfen der Teilströme A und B, zumindest einen Expander EM zum Expandieren der Teilströme A und B. 8. Arrangement for using cold potentials to generate electrical energy by means of an ORC cycle process according to a method according to claim 1, wherein the arrangement has the following components: a heat sink and a heat source and an ORC circuit, wherein the ORC circuit has the following components: a working fluid x, wherein the working fluid x is a zeotropic mixture comprising at least two mixture components with different boiling points and which is present with a mixture composition xM, a condenser KM arranged on the heat sink side, at least one separating device T for separating the working fluid x into at least a first partial flow A with the composition xA and a second partial flow B with the composition xB, further comprising a first partial flow expander EA2 and a second condenser KA for liquefying the partial flow A, two pumps PA and PB for increasing the pressure of the two partial flows A and B, further comprising two evaporators VA and VB arranged on the heat source side for evaporating the partial flows A and B, at least one expander EM for expanding the partial streams A and B.
9. Anordnung zur Nutzung von Kältepotentialen zur Erzeugung elektrischer Energie mittels eines ORC-Kreisprozesses gemäß Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmesenke ein Reservoir mit verflüssigtem Erdgas oder verflüssigtem Wasserstoff ist. 9. Arrangement for using cold potentials to generate electrical energy by means of an ORC cycle process according to claim 8, characterized in that the heat sink is a reservoir with liquefied natural gas or liquefied hydrogen.
10. Anordnung zur Nutzung von Kältepotentialen zur Erzeugung elektrischer Energie mittels eines ORC-Kreisprozesses gemäß Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmequelle ein Reservoir mit Seewasser und/oder Wärme des Erdreichs und/oder Außenluft und/oder eine Wärmequelle mit latentem Wärmeübergang ist. 10. Arrangement for using cold potentials to generate electrical energy by means of an ORC cycle process according to claim 8 or 9, characterized in that the heat source is a reservoir with sea water and/or heat from the ground and/or outside air and/or a heat source with latent heat transfer.
11. Anordnung zur Nutzung von Kältepotentialen zur Erzeugung elektrischer Energie mittels eines ORC-Kreisprozesses gemäß einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest eine Trennvorrichtung T zumindest einen Separator und/oder eine Rektifikationskolonne aufweist. 11. Arrangement for using cold potentials to generate electrical energy by means of an ORC cycle process according to one of claims 8 to 10, characterized in that the at least one separation device T has at least one separator and/or one rectification column.
12. Anordnung zur Nutzung von Kältepotentialen zur Erzeugung elektrischer Energie mittels eines ORC-Kreisprozesses gemäß einem der Ansprüch 8 bis 11 , dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Expander EA2 / EM als Turbine ausgebildet ist, welche einen Generator antreibt, um Strom zu erzeugen. 12. Arrangement for using cold potentials to generate electrical energy by means of an ORC cycle process according to one of claims 8 to 11, characterized in that at least one expander EA2 / EM is designed as a turbine which drives a generator to generate electricity.
13. Anordnung zur Nutzung von Kältepotentialen zur Erzeugung elektrischer Energie mittels eines ORC-Kreisprozesses gemäß einem der Ansprüche 8 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Expander EM einen zweiten Teilstromexpander EA zum Expandieren des Teilstroms A und einen dritten Teilstromexpander EB zum Expandieren des Teilstroms B aufweist. 13. Arrangement for using cold potentials to generate electrical energy by means of an ORC cycle process according to one of claims 8 to 12, characterized in that the expander EM has a second partial flow expander EA for expanding the partial flow A and a third partial flow expander EB for expanding the partial flow B.
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