CH677618A5

CH677618A5 -

Info

Publication number: CH677618A5
Application number: CH132/88A
Authority: CH
Inventors: Christian Dr Ehrsam
Original assignee: Sulzer Ag
Priority date: 1988-01-14
Filing date: 1988-01-14
Publication date: 1991-06-14
Also published as: FI885593A; SE8900140L; US4920752A; SE8900140D0; FI885593A0

Description

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Beschreibung

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Speicherung von hydratbildenden, gasförmigen Kohlenwasserstoffen gemäss Oberbegriff von Anspruch 1 sowie eine Anlage zur Durchführung des Verfahrens.

Es ist bekannt, insbesondere Erdgas als Energieträger in den Zeiten zu speichern, in welchen kein oder nur ein geringer Verbrauch besteht. Dieses ist beispielsweise häufig während der warmen Jahreszeit der Fall. Speichert man während dieser Zeit das z.B. in konstanter Menge während des ganzen Jahres anfallende Erdgas, so kann während der Zeit erhöhten Bedarfes, insbesondere während der kalten Jahreszeit, dieser Bedarf mit Hilfe des gespeicherten Gases gedeckt werden.

Eine Möglichkeit einer solchen Speicherung besteht darin, das Erdgas in Form von Hydrat zu speichern. Neben Methan» der Hauptkomponente des Erdgases, erfahren auch die zusätzlichen Komponenten Ethan und Propan eine Hydratation. Weitere Komponenten, die keine Kohlenwasserstoffe sind, nämlich Kohlendioxyd und Schwefelwasserstoff, bilden ebenfalls Hydrate.

Beispielsweise ist Methanhydrat bekanntlich ein eisähnlicher Fegtkörper, der aus Methan und Wasser besteht.

Es sind bereits mehrere Verfahren vorgeschlagen worden, Erdgas in Form von Hydrat zu speichern und zum Verbrauch durch Zuführung von Wärme und durch Drucksenkung in freigesetztes Erdgas und Wasser oder Eis zu zersetzen (vergi. z.B. die US-PS 2 375 553 und die US-PS 2 270 016).

Bei der Hydratation handelt es sich um einen exothermen Prozess, wobei es üblich ist, die Abführung der Wärme mit Hilfe von Kältemaschinen vorzunehmen.

Die vorliegende Erfindung geht davon aus, das Kohlenwasserstoff-Hydrat, im Falle von Erdgas hauptsächlich das Methanhydrat im Bereich des Atmosphärendruckes, wobei ein Überdruck von wenigen Prozenten noch als zulässig angesehen wird, zu speichern. Dieses ist besonders dann von Vorteil, wenn sehr grosse Mengen von Gas gespeichert werden sollen.

Für den Betrieb einer solchen Hydraterzeugungsanlage sind mindestens zwei Kältemaschinen erforderlich, wobei die erste Kältemaschine so auszulegen ist, dass Hydrat bei einer Temperatur von ca. 0°C entsteht. Die Hydratation verläuft nicht vollständig, d.h., es ist immer noch Überschusswasser vorhanden. In einer zweiten Kältemaschine wird das Hydrat weiter gekühlt und zwar bei einem gewünschten Speicherdruck von ca. einer Atmosphäre auf ca. -30°C, da anderenfalls sich das Hydrat zersetzen würde. Bei dem zweiten Kühlprozess friert das Überschusswasser aus; dieses aus Hydrat und Eis bestehende Produkt, das der Speicherung zugeführt werden soll, wird im folgenden mit gefrorenem Hydrat bezeichnet.

Die Erfindung hat sich ein Verfahren bzw. eine Anlage zum Ziel gesetzt, welche die Beladung und Entladung eines Speichers unter den vorstehenden

Bedingungen auf energetisch günstige Weise ermöglicht.

Diese Aufgabe wird mit Hilfe der im 1. und 10. Anspruch angegebenen Massnahmen gelöst.

Vorteilhafte Ausführungen des erfindungsge-mässen Verfahrens bzw. der zugehörigen Anlage sind in den übrigen abhängigen Ansprüchen beschrieben.

Die Erfindung weist insbesondere die folgenden Vorteile auf:

Die Entladung des Speichers wird mit einem Minimum an Energie erreicht, da das Hydrat in Gas und in Eis zersetzt wird, und das Hydrat nicht für die Gasfreisetzung geschmolzen wird.

Ausserdem wird eine Energiequelle zur Verfügung gestellt, mit der die benötigte Zersetzungswärme kostengünstig abgegeben werden kann infolge der Phasenumwandlung von flüssigem Wasser aus dem Wassertank in Eis unter Abgabe der latenten Wärme.

Ein weiterer Vorteil der Erfindung besteht darin, dass das Eis, das nach der Zersetzung des Hydrates im Speicher verbleibt und das Eis, das aus dem Wasser des Wassertanks gebildet wird, bei der erneuten Erzeugung des Hydrates als Wärmesenke bei 0°C dient, was für die Kältemaschine einen reduzierten Bedarf an mechanischer Energie bedeutet.

Die Erfindung wird im folgenden anhand von in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispielen erläutert.

Die Zeichnungen zeigen in schematischer Darstellungsweise nur die zum Verständnis der Erfindung erforderlichen Konstruktionselemente, d.h. nicht alle Pumpen, Wasserleitungen, Ventile und nicht im einzelnen den konstruktiven Aufbau der Hydraterzeugungsanlage, des Speichers und dergl.

Die Fig. 1 zeigt eine Anlage zur Entladung eines Speichers mittels Wasser aus einem Wassertank.

Fig. 2 eine ähnliche Anlage zur Entladung eines Speichers, wobei zur Erwärmung und Zersetzung des gespeicherten Hydrates freigesetztes Gas aus dem Speicher verwendet wird.

In Fig. 3 ist eine Anlage in detaillierterer Form bezüglich Fig. 2 dargestellt, wobei das Gas zur Zersetzung des Hydrates im Speicher nicht nur erwärmt, sondern zusätzlich noch befeuchtet wird.

Fig. 4 zeigt eine Ausführungsform der Erfindung, wobei gleichzeitig Hydrat gebildet und in dem Speicher verbleibendes Eis geschmolzen wird.

In allen Ausführungsbeispielen besteht der Hydratspeicher 1 aus sechs, gegeneinander abgeschlossenen Kammern 2a bis 2f, welche rotationssymmetrisch angeordnet und mit einer zentral angeordneten, nicht im Detail dargestellten Verteilvorrichtung 3 für die Zuführung von Hydrat versehen sind.

Fig. 1 zeigt den Speicher 1 mit einer Füllung aus gefrorenem Hydrat im Zustand seiner Entladung durch Zersetzung des Hydrates mit Hilfe von Wasser aus einem Wassertank 4, was symbolisch durch Pfeil a angedeutet ist. Das Wasser aus dem Tank 4 weist eine Temperatur oberhalb des Gefrierpunktes auf. Beispielsweise kann das Wasser im Tank mit-

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tels Ausnutzung der in der Hydratbildungsanlage 5 anfallenden Abwärme zusätzlich erwärmt werden.

Dieses Wasser Kann z.B. über die nicht im Detail dargestellte Verteilvorrichtung 3 in alle Kammern 2a bis 2f gleichzeitig eingeleitet werden. Das Wasser durchdringt die poröse Schüttung des in den Kammern befindlichen, granulierten, gefrorenen Hydrates, das beispielsweise eine Temperatur von -30°G aufWeist. Infolge der durch das Wasser zugeführten Wärme zersetzt sich das Hydrat und das hierbei freigesetzte Gas kann in Richtung des Pfeiles b seinem Verwendungszweck zugeführt werden. Das Wasser aus dem Wassertank 4 kühlt sich bei der Zersetzung des Hydrates mindestens bis zu seinem Gefrierpunkt ab und bleibt zusammen mit dem Eis des Hydrates als Eis im Speicher 1 zurück. Es wird somit die latente Wärme des zugeführten Wassers bei seiner Abkühlung auf den Gefrierpunkt für die Zersetzung des Hydrates frei und ebenfalls seine sensible Wärme, wenn das Wasser mit erhöhter Temperatur in den Speicher 1 eingeleitet wird. D.h. im Speicher 1 verbleibt dieses gebildete Eis mit dem bei der Hydratzersetzung gebildeten Eis bis zur erneuten Beladung des Speichers.

Fig. 2 zeigt ebenfalls eine Anlage, die mit der Fig. 1 bis darauf übereinstimmt, dass zur Entladung des Speichers 1 nicht Wasser aus dem Tank 4 direkt verwendet wird, sondern eine Teilmenge von freigesetztem Gas oder aber von Gas, das während der Beladung nicht zur Hydratbildung geführt hat, sondern gasförmig verblieben ist. Diese Gasmenge wird in Pfeilrichtung c z.B. durch die Hydraterzeugungsanlage 5 geleitet und wird dort in einer nicht dargestellten Kältemaschine, die als Wärmepumpe betrieben wird, erwärmt, wobei dem Wassertank 4 Wärme in Pfeilrichtung d entzogen wird, wodurch sich das Wasser im Tank 4 bis zu seiner Eisbildung abkühlt.

Die Fig. 3 zeigt eine mit Fig. 2 übereinstimmende Ausführungsform der Erfindung bis darauf, dass das Gas ausser seiner Erwärmung noch zusätzlich befeuchtet wird. Hierbei ist eine in der Hydraterzeugungsanlage 5 angeordnete Kältemaschine, die auch in diesem Fall als Wärmepumpe betrieben wird, dargestellt.

Die Kältemaschine weist einen Kompressor 6, eine Drossel 7, einen Verdampfer 8 und einen Kondensator 9 auf. Auch in diesem Fall wird die latente Wärme des Wassers im Wassertank 4 ausgenutzt, wobei das Wasser im Wassertank mindestens zum grössten Teil gefriert. Wasser aus dem Wassertank 4 wird durch eine Leitung 10 in den Verdampfers mittels einer Umwälzpumpe 11 der Kältemaschine gefördert, wobei bei der Verdampfung des Kältemittels der Kältemaschine das Wasser sich mindestens teilweise bis zu seinem Gefrierpunkt abkühlt und die aus Eis und gekühltem Wasser bestehende Mischung durch eine Leitung 12 in den Wassertank 4 zurückgeleitet wird.

In einem Sprühwärmeaustauscher 13 wird das in Pfeilrichtung e eingeleitete Gas erwärmt und mit Wasser befeuchtet, das von der Umwälzpumpe 14 gefördert und im Kondensator 9 erwärmt wird. Die im Sprühwärmeaustauscher 13 entstehenden Wasserverluste werden durch Zuführung von Tankwasser durch eine Leitung 15, in der ein Regelventil 16 angeordnet ist, gedeckt.

Diese Ausführungsform weist die nachstehenden Vorteile auf:

Der mit der Befeuchtung eingebrachte Dampf, der im Speicher 1 auskondensiert und ausgefroren wird, hat zur Folge, dass eine geringere Gasmenge umgewälzt werden muss. Gegenüber der in Fig. 1 dargestellten Ausführungsform, bei der eine Verstopfung der Poren eventuell entstehen kann, wird hier mit Sicherheit eine Verstopfung verhindert, und zwar deshalb, weil im Speicher eine relativ kleine Wassermenge abgeschieden wird.

Fig. 4 zeigt ein System analog zu den Fig. 1 und 2 im Zustand der Entleerung und der Beladung.

Das Entleeren des Speichers 1 erfolgt durch Ausschmelzen des sich in den Kammern 2a bis 2f befindenden Eises. Hierzu wird erwärmtes Wasser verwendet. Nachdem eine erste Kammer 2a entleert worden ist, kann mit dem Beladen mit Hydrat begonnen werden, wie schematisch durch den Pfeil f angedeutet ist. Die Erwärmung des Wassers für das Abschmelzen kann nun durch die bei der Hydratation freigesetzte Wärme erfolgen. Dieser Wärmetransport wird durch den Pfeil g symbolisiert.

Der Transport des Schmelzwassers aus der Kammer 2b in die Hydratationserzeugungsaniage 5 bzw. in den Tank 4 wird durch die Pfeile h, h' und h" symbolisiert. Der grösste Teil des Schmelzwassers wird für die Hydraterzeugung genutzt.

Bei dieser Verfahrensweise wird demnach simultan jeweils eine Kammer des Speichers 1 entleert, während eine andere Kammer mit Hydrat beladen wird.

Die Zuführung des zu hydratisierenden Produktes ist durch den Pfeil i angedeutet.

Der Transport des Hydrates in den Speicher kann auf verschiedene, nicht dargestellte Art und Weise erfolgen. Beispielsweise kann das Hydrat pneumatisch mit dem Erdgas als Fördermedium in den Speicher 1 transportiert werden. Das Gemisch von Gas und gefrorenem Hydrat kann über ein im Zentrum des Hydratspeichers angeordnetes Verteilersystem 3 in die Kammern eingespeist werden. Es ist auch der Einsatz von Förderbändern für den Transport des gefrorenen Hydrates möglich.

Wie bereits an vorstehender Stelle angegeben ist, weist die Hydratationsanlage eine Kältemaschine auf, mit der die eigentliche Hydratbildung erfolgt bei 0°C und ca. 30 bar und das Produkt dieser Hydratbildung, das bei Umgebungsdruck noch nicht stabil ist, wird nun mittels einer zweiten Kältemaschine ausgefroren und auf ca. —309C gekühlt. Gleichzeitig wird die breiartige Hydrat/Wassermenge granuliert.

Dieser zweite Prozessschritt, der Gefrierung, Kühlung und Granulierung umfasst, iässt sich beispielsweise mittels einer Fliessbettechnik realisieren.

In den Kammern setzt sich das gefrorene Hydrat als Schüttung ab, während das Fördergas abgesaugt und erneut seiner Verwendung zugeführt wird.

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Patentansprüche

1. Verfahren zur Speicherung von hydratbildenden, gasförmigen Kohlenwasserstoffen in Form von Hydrat bei einem Druck oberhalb des Umgebungsdruckes und bei einer Temperatur unterhalb der Zersetzungstemperatur des Hydrats, wobei die erforderliche Kälteleistung von mindestens zwei Kältemaschinen der Anlage zur Hydraterzeugung aufgebracht wird, dadurch gekennzeichnet, dass zur Beladung des Hydratspeichers in diesen eine Schüttung von Hydratteilchen gebracht wird, die auf mindestens die Zersetzungstemperatur des Hydrates herabgefroren sind, wobei das Restvolumen des Hydratspeichers mit dem bzw. den gasförmigen Kohlenwasserstoffen gefüllt ist, und dass der Hydratspeicher sowie die Anlage zur Hydraterzeugung mit mindestens einem separaten Wassertank in Verbindung steht, und dass zum Entladen des Hydratspeichers, d.h. zum Freisetzen des gespeicherten Gases durch Zersetzung des Hydrates unter Wärmezufuhr "m Gas und Eis, die latente und sensible Wärme des Wassers aus dem Wassertank ausgenutzt wird, wobei das gebildete Eis im Hydratspeicher verbleibt

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur Entladung des Hydratspeichers in die poröse Schüttung des gefrorenen Hydrates des Speichers Wasser direkt aus dem Wassertank über ein Verteiisystem eingeleitet wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur Entlädung des Hydratspeichers erwärmtes und in den Hydratspeicher eingeleitetes Gas verwendet wird, wobei die Erwärmung des Gases derart erfolgt, dass der Wassertank als Wärmequelle für den Verdampfer einer als Wärmepumpe betriebenen Kältemaschine der Hydraterzeugungsanlage verwendet wird und das Wasser des Wassertanks ganz oder teilweise ausgefroren wird.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das dem Hydratspeicher zugeführte Gas zusätzlich mit Wasser aus dem Wassertank befeuchtet wird, wobei diese Wassermenge durch Aufnahme der Kondensationswärme der als Wärmepumpe verwendeten Kältemaschine erwärmt und mit dem Hydratspeicher zugeführten Gas in Kontakt gebracht wird,

5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zum Abschmelzen des nach der Entladung des Hydratspeichers in diesem verbliebenen Eise vor der erneuten Speicherung des Hydratspei-chers mit Hydrat die bei der Hydratation freiwerdende Wärme verwendet wird, und dass das Schmelzwasser zum grössten Teil für die erneute Hydraterzeugung verwendet wird und der restliche Teil in den Wassertank eingeleitet wird.

6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Wasser des Wassertankes zusätzlich erwärmt wird.

7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Hydrat vor seiner Einleitung in den Hydratspeicher granuliert wird.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das granulierte Hydrat pneumatisch mit dem bzw. den gasförmigen Kohlenwasserstoffen als Fördermittel in den Hydratspeicher eingeleitet wird.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8 mit hydratbildenden Kohlenwasserstoffen aus Erdgas.

10. Anlage zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 5, wobei die Anlage eine Hydraterzeugungsanlage mit mindestens zwei Kältemaschinen und einen Hydratspeicher aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass mit dem Hydratspeicher und der Hydraterzeugungsanlage ein Wassertank in Verbindung steht.

11. Anlage nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Hydratspeicher aus mehreren, gegeneinander abgeschlossenen Kammern besteht.

12. Anlage nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Hydratspeicher aus mehreren, gleichausgebildeten Baueinheiten besteht, wobei jede Baueinheit mehrere Kammern umfasst.

13. Anlage nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Kammern rotationssymmetrisch angeordnet sind und mit einer zentralen Verteilvorrichtung für das Hydrat ausgerüstet sind.

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