AT528031A4

AT528031A4 - Verfahren und Anlage zur Energiegewinnung aus einem hochgespannten, feuchten Gas

Info

Publication number: AT528031A4
Application number: ATA51000/2024A
Authority: AT
Inventors: Ganglmayr Josef
Original assignee: C Imt Holding Gmbh
Priority date: 2024-12-17
Filing date: 2024-12-17
Publication date: 2025-09-15
Also published as: AT528031B1

Abstract

Es wird ein Verfahren zur Energiegewinnung aus einem hochgespannten, feuchten Gas beschrieben, das einem Speicher (1) entnommen und zur Abgabe an einen Verbraucher (2) entspannt wird. Das Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass zumindest zwei einerseits mit dem Speicher (1) und anderseits mit dem Verbraucher (2) verbindbare Druckwasserbehälter (5) nacheinander mit hochgespanntem Gas aus dem Speicher (1) beaufschlagt werden, dass eine Wasserturbine (4), die in einer mit den Druckwasserbehältern (5) wasserseitig verbindbaren, mit Gas gefüllten Turbinendruckkammer (3) vorgesehen ist, in einer zyklischen Folge mit dem Wasser aus dem jeweils mit hochgespanntem Gas beaufschlagten, mit Wasser gefüllten Druckwasserbehälter (5) durch eine Beaufschlagungsleitung beaufschlagt wird und dass das nach einem gasseitigen Sperren des Druckwasserbehälters (5) beim Verdrängen des Wassers entspannte Gas beim Rückströmen des in der Turbinendruckkammer (3) durch die Turbinenbeaufschlagung angesammelten Wassers in den Druckwasserbehälter (5) aus dem Druckwassersbehälter (5) zum Verbraucher (2) ausgefördert wird.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Energiegewinnung aus einem hochgespannten, feuchten Gas, das einem Speicher entnommen und zur Abgabe an einen Verbraucher entspannt wird, und auf eine Anlage zur Durchführung des

Verfahrens.

Bei der Lagerung von Gas in Speichern, z. B. unterirdische Kavernen oder Porenspeicher, ist eine Wasserdampfbelastung des Gases unvermeidbar. Dies bedeutet, dass das unter hohem Druck gelagerte Gas zur Weiterleitung an einen Verbraucher, üblicherweise zur Einspeisung in ein Gasnetz, nicht nur auf das Druckniveau des Gasnetzes entspannt, sondern zusätzlich aufwendig getrocknet werden muss. Aufgrund der Aggressivität des mit Wasserdampf belasteten Gases ist außerdem eine Turbinenbeaufschlagung mit einem solchen feuchten Gas zur Energiegewinnung beim Entspannen des Gases auf das Druckniveau des Gasnetzes nur bedingt möglich. Dies gilt nicht nur für Gas, sondern auch für alle Gase, die in Speichern unter hohem Druck gelagert werden und aufgrund dieser

Lagerung einen hohen Feuchtigkeitsanteil aufweisen.

Um auch bei kleinen Temperaturgefällen zwischen einer Wärmequelle und einer Wärmesenke eine Wärmekraftmaschine vorteilhaft betreiben zu können, ist es bekannt (WO 2010/057237 A2), ein Arbeitsmittel in einem Kreislauf nach einem Verdampfen auf einem höheren Druckniveau auf ein niedrigeres Druckniveau zu entspannen und wieder zu kondensieren. Mit dem verdampften Arbeitsmittel wird jedoch keine Dampfturbine betrieben, sondern Wasser in einem Druckbehälter beaufschlagt, das durch die Dampfbeaufschlagung aus dem Druckbehälter

verdrängt und zur Beaufschlagung einer Wasserturbine genützt wird. Die

jedoch nicht für das Entspannen und Trocknen von feuchtem Gas.

Zur Energiespeicherung und Rückgewinnung der gespeicherten Energie ist es außerdem bekannt (DE 102020112724 A1), einen Druckluftspeicher vorzusehen, mit dessen Hilfe nacheinander Druckbehälter beaufschlagt werden können, die miteinander durch eine Wasserturbine verbunden sind. Da einer der Behälter mit Wasser gefüllt ist, wird bei einer Druckbeaufschlagung dieses Druckbehälters die Wasserturbine mit dem Wasser aus diesem Druckbehälter beaufschlagt, das von der Wasserturbine in den anschließenden Druckbehälter strömt und die Luft aus diesem Druckbehälter verdrängt, um diese vorgespannte Luft mittels eines Verdichters hochgespannt dem Druckluftspeicher wieder zuzuführen. Die Druckbehälter werden somit zyklisch mit Wasser gefüllt und zum Betreiben der

Wasserturbine mit Druckluft beaufschlagt.

Bei einer anderen bekannten Anlage zur Energiespeicherung und -rückgewinnung (EP 3321501 A1) wird wieder ein an einen Verdichter angeschlossener Druckluftspeicher zur Energiespeicherung eingesetzt, der Druckwasserbehälter mit Druckluft beaufschlagt, um mit dem Wasser aus dem Druckwasserbehälter eine Wasserturbine betreiben zu können. Das Turbinenwasser wird in einem Wasserspeicher gesammelt und zur Energiespeicherung mithilfe einer Pumpe wieder in die Druckwasserbehälter gepumpt, wobei die Luft aus den

Druckwasserbehältern zurück in den Druckluftspeicher verdrängt wird.

eingesetzt werden.

Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Energiegewinnung aus einem hochgespannten, feuchten Gas, das zur Versorgung eines Verbrauchers entspannt wird, so auszugestalten, dass eine ausreichende Trocknung des feuchten Gases mit einfachen Mitteln sichergestellt und zugleich eine vorteilhafte Energiegewinnung bei der Entspannung des Gases gewährleistet

werden kann.

Ausgehend von einem Verfahren der eingangs geschilderten Art löst die Erfindung die gestellte Aufgabe dadurch, dass zumindest zwei einerseits mit dem Speicher und anderseits mit dem Verbraucher verbindbare Druckwasserbehälter nacheinander mit hochgespanntem Gas aus dem Speicher beaufschlagt werden, dass eine Wasserturbine, die in einer mit den Druckwasserbehältern wasserseitig verbindbaren, mit Gas gefüllten Turbinendruckkammer vorgesehen ist, in einer zyklischen Folge mit dem Wasser aus dem jeweils mit hochgespanntem Gas beaufschlagten, mit Wasser gefüllten Druckwasserbehälter durch eine Beaufschlagungsleitung beaufschlagt wird und dass das nach einem gasseitigen Sperren des Druckwasserbehälters beim Verdrängen des Wassers entspannte Gas beim Rückströmen des in der Turbinendruckkammer durch die Turbinenbeaufschlagung angesammelten Wassers in den Druckwasserbehälter aus

dem Druckwassersbehälter zum Verbraucher ausgefördert wird.

Zufolge dieser Maßnahmen ist es zunächst möglich, die Vorteile einer Wasserturbine zur Energiegewinnung zu nützen und mithilfe der Wasserturbine, üblicherweise eine Pelton-Turbine, einen Generator zur Stromerzeugung

anzutreiben. Da bei der Beaufschlagung der Wasserturbine von einem mit

Gasnetz gesorgt werden.

Um den Bereich der Druckschwankungen in der Turbinendruckkammer einzuschränken und dadurch einen gleichmäßigeren Betrieb zu ermöglichen, kann der Druck in der Turbinendruckkammer innerhalb eines vorgegebenen Bereichs oberhalb des Drucks des entspannten Gases in der Speiseleitung für den Verbraucher gehalten werden. Diese Druckbeschränkung erlaubt bei einem Überdruck das Ausstoßen eines Teils des Gases aus der Turbinendruckkammer in die Speiseleitung aufgrund des das Druckniveau des Verbrauchers übersteigenden Gasdrucks und bedingt bei einem Unterdruck das Nachfüllen von Druckgas in die Turbinendruckkammer. Der dadurch gesicherte weitgehend konstante Betriebsdruck in der Turbinendruckkammer stellt das zyklische Austragen des Turbinenwassers aus der Turbinendruckkammer in den jeweiligen Druckwasserbehälter und das damit verbundene Ausfördern des entspannten Gases aus dem Druckbehälter sicher, ohne hierfür zusätzliche Mittel einsetzen zu

müssen.

für die Gastrocknung geschaffen werden.

Eine Anlage zur Energiegewinnung beim Entspannen von feuchtem Gas zwischen einem das hochgespannte Gas aufnehmenden Speicher und einem Verbraucher für das entspannte Gas zeichnet sich dadurch aus, dass wenigstens zwei durch Steuerventile einerseits an den Speicher und anderseits an eine Speiseleitung für den Verbraucher anschlieRbare Druckwasserbehälter und eine eine Wasserturbine aufnehmende, mit Gas gefüllte Turbinendruckkammer vorgesehen sind, die mit den Druckwasserbehältern wasserseitig durch mit Steuerventilen versehene Rücklaufleitungen verbindbar ist und zumindest eine durch Steuerventile an die Wasserseite der Druckwasserbehälter anschlieRbare Beaufschlagungsleitung für

die Wasserturbine aufweist.

Wird nach einer Beaufschlagung eines mit Wasser gefüllten Druckwasserbehälters mit dem hochgespannten Gas aus dem Speicher das Steuerventil zum Speicher geschlossen und das Steuerventil zur Beaufschlagungsleitung der Wasserturbine geöffnet, so wird das Wasser aus dem Druckwasserbehälter unter einem Entspannen des Gases zur Beaufschlagung der Wasserturbine verdrängt, wobei sich das entspannende Gas im Druckwasserbehälter abkühlt und der im Gas enthaltene Wasserdampf kondensiert. Am Ende des Beaufschlagungszyklus der Wasserturbine wird das Steuerventil zur Beaufschlagungsleitung der Wasserturbine geschlossen, um nach dem Öffnen der Steuerventile zur Rücklaufleitung und zur Speiseleitung durch das aus der Turbinendruckkammer in den Druckwasserbehälter rückfliekende Wasser das entspannte Gas aus dem Druckwasserbehälter in die Speiseleitung auszufördern. Nach der Füllung des Druckwasserbehälters mit Wasser und der damit zusammenhängenden Austragung des bei seiner

Entspannung getrockneten Gases werden die Steuerventile zur Rücklaufleitung und

zyklischen Aufeinanderfolge über die einzelnen Druckwasserbehälter erfolgt.

Um den Druck in der Turbinendruckkammer in einem bestimmten Bereich oberhalb des Druckniveaus im Gasnetz zu halten, kann die Turbinendruckkammer durch ein Druckminderungsventil an den Speicher angeschlossen werden und eine mit der Speiseleitung verbundene, mit einem Druckbegrenzungsventil versehene Überdruckleitung aufweisen. Sinkt der Druck in der Turbinendruckkammer unter einen vorgegebenen Wert ab, so wird über das Druckminderungsventil zur Erhöhung des Kammerdrucks Gas aus dem Speicher in die Turbinendruckkammer nachgefördert. Bei einem Überdruck öffnet hingegen das Druckbegrenzungsventil in der Überdruckleitung, sodass Gas aus der Turbinendruckkammer in die Speiseleitung abfließen kann. Der Betriebsdruck in der Turbinendruckkammer kann

somit weitgehend konstant gehalten werden.

Zum Abscheiden restlicher Wassernebel und allenfalls anfallender Wasserkristalle aus dem entspannten Gas kann in der Speiseleitung ein Wasserabscheider vorgesehen sein, sodass dem Verbraucher ein ausreichend getrocknetes, auf den

Verbraucherdruck entspanntes Gas zur Verfügung gestellt werden kann.

Wie bereits ausgeführt wurde, ist es vorteilhaft, das Wasser der Druckwasserbehälter zu kühlen. Hierfür kann wenigstens eine Kühleinrichtung vorgesehen sein, die vorzugsweise in der Rücklaufleitung vorgesehen ist, was

jedoch nicht zwingend ist, weil es nur auf die Wasserkühlung ankommt, die auch

Turbinendruckkammer vorgenommen werden kann.

Das erfindungsgemäße Verfahren wird anhand der Zeichnung näher erläutert, die

eine erfindungsgemäße Anlage in einem schematischen Blockschaltbild zeigt.

Eine erfindungsgemäße Anlage zur Energiegewinnung beim Entspannen von feuchtem Gas zwischen einem das hochgespannte Gas aufnehmenden Speicher 1 und einem Verbraucher 2 für das entspannte Gas umfasst eine in einer Turbinendruckkammer 3 angeordnete Wasserturbine 4 und mehrere Druckwasserbehälter 5, die mit der Turbinendruckkammer 3 durch Beaufschlagungsleitungen 6 zur Beaufschlagung der Wasserturbine 4 verbunden sind. Die mithilfe von Steuerventilen 7 ansteuerbaren Beaufschlagungsleitungen 6 weisen jeweils Beaufschlagungsdüsen 8 auf, was jedoch nicht zwingend ist. So könnten beispielsweise die Beaufschlagungsleitungen 6 in einer gemeinsamen Beaufschlagungsleitung münden, die mit zumindest einer Beaufschlagungsdüse versehen ist. Mit der Anordnung von mehreren je für sich ansteuerbaren Beaufschlagungsdüsen 8 einer gemeinsamen Beaufschlagungsleitung 6 ergibt sich die Möglichkeit, die Wasserturbine 4 zur Leistungsanpassung über eine

unterschiedliche Anzahl von Beaufschlagungsdüsen 8 anzusteuern.

Die Druckwasserbehälter 5 sind gasseitig durch mit Steuerventilen 9 versehene Anschlussleitungen 10 mit dem Speicher 1 und über Steuerventile 11 mit einer Speiseleitung 12 für den Verbraucher 2 verbunden. Auf der Wasserseite sind die Druckwasserbehälter 5 durch Steuerventile 13 an eine Rücklaufleitung 14 der Turbinendruckkammer 3 angeschlossen. Die Turbinendruckkammer 3 selbst weist eine Gasfüllung auf, wobei zur Aufrechthaltung eines vorgebbaren Druckbereichs die Turbinendruckkammer 3 gasseitig einerseits über ein Druckminderungsventil 15 mit dem Speicher 1 und anderseits über ein Druckbegrenzungsventil 16 mit der

Speiseleitung 12 verbunden ist.

Die Wasserturbine 4 wird zyklisch aufeinanderfolgend mit dem Druckwasser der

einzelnen Druckwasserbehälter 5 beaufschlagt. In der Zeichnung sind für die

Energie in ein Stromnetz 19 einspeist.

Um für die Turbinenbeaufschlagung den Ausgangsdruck des hochgespannten Gases aus dem Speicher 1 über eine längere Zeitspanne zu nützen, kann das Steuerventil 9 in der Anschlussleitung 10 zum Speicher 1 länger offengehalten werden, sodass die Entspannung des Gases nach dem Schließen der Anschlussleitung 10 erst nach dem Austreiben eines Teils des Wassers aus dem Druckwasserbehälter 5 erfolgt. Dies kann dazu führen, dass der im Beaufschlagungszyklus nächste Druckwasserbehälter 5 bereits eingesetzt wird, bevor das Gas im vorhergehenden Druckwasserbehälter 5 vollständig auf das vorgesehene Druckniveau entspannt ist. Dies spielt jedoch keine Rolle, weil über die Rückströmleitung 14 aufgrund der jeweils herrschenden Druckdifferenz auch

Wasser aus den Druckwasserbehältern 5 in die Turbinenkammer 3 strömen kann.

Mit dem Verdrängen des Wassers aus dem Druckwasserbehälter 5 nach dem Schließen des Steuerventils 9 in der Anschlussleitung 10 zum Speicher 1 entspannt sich das beispielsweise mit einem Druck von 100 bar in den Druckwasserbehälter 5 eingebrachte Gas auf z. B. 45 bar, also auf ein Druckniveau geringfügig höher als das Druckniveau des Verbrauchers 2, üblicherweise eines Gasnetzes, von z. B. 40 bar, und wird dabei gekühlt, sodass der im Gas enthaltene Wasserdampf

kondensiert und allenfalls kristallisiert.

Druckminderungsventil 15 vorgegeben.

Am Ende der Beaufschlagung der Wasserturbine 4 mit dem Wasser aus einem Druckwasserbehälter 5 wird ein im rechten Druckwasserbehälter 5 der Zeichnung angedeuteter Betriebszustand erreicht. Durch ein Schließen des Steuerventils 7 in der Beaufschlagungsleitung 6 und ein Öffnen des Steuerventils 13 zur Rücklaufleitung 14 sowie des Steuerventils 11 zur Speiseleitung 12 strömt das Wasser aus der Turbinendruckkammer 3 in den Druckwasserbehälter 5 zurück, und zwar bei annähernd konstantem Betriebsdruck in der Turbinendruckkammer 3. Das in den Druckwasserbehälter 5 rückströmende Wasser verdrängt das entspannte, getrocknete Gas aus dem Druckwasserbehälter 5 in die Speiseleitung 12. Um allfällige Wasserrestnebel abzuscheiden, wird die Speiseleitung 12 über einen

Wasserabscheider 20 geführt.

Während beim Vorsehen von zwei Druckwasserbehältern 5 die beiden Druckwasserbehälter 5 in einer zyklischen Aufeinanderfolge zum Einsatz kommen, kann bei drei oder mehreren Druckwasserbehältern 5 ein überlappender zyklischer

Betrieb erreicht werden.

Da sich das Wasser in der Turbinendruckkammer 3 erwärmt, kann eine Wasserkühlung vorteilhaft sein, um die für die Trocknung des Gases notwendige Kühlung durch die Gasentspannung nicht zu beeinträchtigen. Aus diesem Grund ist in der Rücklaufleitung 14 eine Kühleinrichtung 21 in Form eines Wärmetauschers

angedeutet.

Ein erfindungsgemäßes Verfahren und eine erfindungsgemäße Anlage eignen sich insbesondere zur Entspannung von in Erdspeichern unter Druck gelagerten Gasen, wie Erdgas oder auch Wasserstoff. Die Erfindung ist jedoch nicht auf diese Einsatzgebiete beschränkt und kann überall dort mit Vorteil eingesetzt werden, wo feuchtes, hochgespanntes Gas unter einer Energiegewinnung auf das Druckniveau eines Verbrauchers entspannt werden soll. Als Verbraucher kann ein Gasversorgungsnetz, eine Gasverarbeitungsanlage, aber auch ein Druckspeicher dienen, in dem das entspannte, getrocknete Gas für eine weitere Verwendung

zwischengelagert wird.

Claims

(345781.7) II Patentansprüche

1. Verfahren zur Energiegewinnung aus einem hochgespannten, feuchten Gas, das einem Speicher (1) entnommen und zur Abgabe an einen Verbraucher (2) entspannt wird, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest zwei einerseits mit dem Speicher (1) und anderseits mit dem Verbraucher (2) verbindbare Druckwasserbehälter (5) nacheinander mit hochgespanntem Gas aus dem Speicher (1) beaufschlagt werden, dass eine Wasserturbine (4), die in einer mit den Druckwasserbehältern (5) wasserseitig verbindbaren, mit Gas gefüllten Turbinendruckkammer (3) vorgesehen ist, in einer zyklischen Folge mit dem Wasser aus dem jeweils mit hochgespanntem Gas beaufschlagten, mit Wasser gefüllten Druckwasserbehälter (5) durch eine Beaufschlagungsleitung beaufschlagt wird und dass das nach einem gasseitigen Sperren des Druckwasserbehälters (5) beim Verdrängen des Wassers entspannte Gas beim Rückströmen des in der Turbinendruckkammer (3) durch die Turbinenbeaufschlagung angesammelten Wassers in den Druckwasserbehälter (5) aus dem Druckwassersbehälter (5) zum

Verbraucher (2) ausgefördert wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Druck in der Turbinendruckkammer (3) innerhalb eines vorgegebenen Bereichs oberhalb des

Drucks des für den Verbraucher (2) entspannten Gases gehalten wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das

Wasser der Druckwasserbehälter (5) gekühlt wird.

4. Anlage zur Energiegewinnung beim Entspannen von feuchtem Gas zwischen einem das hochgespannte Gas aufnehmenden Speicher (1) und einem Verbraucher

(2) für das entspannte Gas, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens zwei durch

Wasserturbine (4) aufweist.

5. Anlage nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Turbinendruckkammer (3) durch ein Druckminderungsventil (15) an den Speicher (1) angeschlossen ist und eine mit der Speiseleitung (12) verbundene, mit einem

Druckbegrenzungsventil (16) versehene Überdruckleitung aufweist.

6. Anlage nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass in der

Speiseleitung (12) ein Wasserabscheider (20) vorgesehen ist.

7. Anlage nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass für das Wasser der Druckwasserbehälter (5) wenigstens eine Kühleinrichtung (21)

vorgesehen ist.