CH701210A1 - Verfahren zum Betrieb eines Gasturbinenkraftwerkes mit Brennstoffzelle. - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft Gasturbinenkraftwerke mit Brennstoffzelle (15) die durch eine neue Prozessführung, die eine CO 2 -Abscheidung optimiert in den Kraftwerksprozess einbindet, sowie ein Verfahren zum Betrieb eines derartigen Kraftwerkes. Der Kern der Erfindung ist ein Verfahren zum Betrieb eines Gasturbinen-Kraftwerks mit Abgasrezirkulation in den Ansaugstrom der Gasturbine (6) und einer Brennstoffzelle (15), wobei CO 2 aus den nicht rezirkulierten Abgasen in der Brennstoffzelle abgeschieden wird. Der Rezirkulationsmassenstrorm (21) wird zur Optimierung der Gesamtleistung und des Gesamtwirkungsgrads des Kraftwerkes so geregelt, dass unter der Randbedingung eines stabilen, effizienten Gasturbinenbetriebs die Abgaszusammensetzung der Gasturbine einen optimalen Betrieb der nachgeschalteten mindestens einen Brennstoffzelle (15) ermöglicht. Weiter ist ein Kraftwerk zur Durchführung des Verfahrens Gegenstand der Erfindung.

Description

Technisches Gebiet

[0001] Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb einer Gasturbine mit einer Schmelzkarbonatbrennstoffzelle sowie ein Kraftwerk mit Gasturbine und Schmelzkarbonatbrennstoffzelle.

Stand der Technik

[0002] Aufgrund der allgemein anerkannten Gefahr einer Klimaveränderung, besteht ein weltweites Interesse den Ausstoss von Treibhausgasen, insbesondere an CO2 (Kohlendioxyd) zu reduzieren. Als realistischer Schritt den CO2 Ausstoss in die Atmosphäre innerhalb relativ kurzer Zeit zu reduzieren wird die sogenannte CO2 (carbon capture and storage) oder CO2 -Sequestrierung, das heisst die Abtrennung des CO2 aus dem Wärmekraftprozess eines Kraftwerkes und von der Atmosphäre getrennte Lagerung des abgetrennten CO2, angesehen. Die CO2Abtrennung erfolgt entweder aus den Abgasen nach der Verbrennung eines kohlenstoffhaltigen Brennstoffes oder durch eine chemische Reaktion, bei der der Kohlenstoff aus dem Brennstoff vor der Verbrennung abgeschieden wird. Die Regeneration von Absorbern, Adsorbern oder anderen Mitteln zur CO2Abscheidung ist Bestandteil des CCS Prozesses.

[0003] Die Abscheidung von CO2 nach der Verbrennung, auch Backend Capture oder Post Combustion Capture genannt, ist eine der vielversprechendsten CCS Technologien und auch für Gasturbinen- und Kombi-Kraftwerke anwendbar.

[0004] Die herkömmlichen CO2 Technologien benötigen eine relative hohe Leistung, Um den negativen Einfluss von CO2auf Leistung und Wirkungsgrad zu minimieren wurde in der US7 396 603 die Kombination von herkömmlichen Kraftwerken mit Schmelzkarbonatbrennstoffzellen, vorgeschlagen.

[0005] Die Anwendung von Schmelzkarbonatbrennstoffzellen zur Reduktion der CO2 Emissionen von Gasturbinenkraftwerken wurde weiter von J. Milewski et al. in «THE REDUCTION OF CO2EMISSIONS OF GAS TURBINE POWER PLANTS BY USING OF A MOLTEN CARBONATE FUEL CELL» (ASME Turbo Expo 2007: Power Land, Sea Air, 2007, Montreal, Canada, GT2007-27030) beschrieben.

[0006] Die Anwendung von Schmelzkarbonatbrennstoffzellen zur Reduktion der CO2 Emissionen von Gasturbinenkraftwerken ist jedoch nicht unproblematisch, da der CO2 - Gehalt in den Gasturbinenabgasen, wie auch von J. Milewski et al. beschrieben wurde, für einen effektiven Betrieb von Schmelzkarbonatbrennstoffzellen niedrig ist. Aufgrund des grossen zu behandelnden Abgasmassenstromes einer Gasturbine sind ausserdem grosse Anordnungen von Brennstoffzellen nötig, die mit hohen Kosten verbunden sind. Weiter ändern sich die Abgastemperatur und Abgaszusammensetzung einer Gasturbine abhängig von den Betriebsbedingungen stark. Insbesondere die Kompressoreintrittstemperatur und die Last der Gasturbine führen zu Änderungen der Abgastemperatur und Abgaszusammensetzung, so dass ein optimaler Betrieb der Brennstoffzelle nicht gewährleistet werden kann.

Darstellung der Erfindung

[0007] Der vorliegenden Erfindung ist die Aufgabe gestellt, ein kostengünstiges Verfahren zu einem auf Gesamtwirkungsgrad optimierten Betrieb eines Gasturbinen- Brennstoffzellenkraftwerks mit CO2 Abscheidung, sowie ein Kraftwerk zur Durchführung dieses Verfahrens vorzuschlagen.

[0008] Erfindungsgemäss wird diese Aufgabe durch den Gegenstand der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.

[0009] Als Gasturbinen- Brennstoffzellenkraftwerk wird dabei ein auf einer Gasturbine basierendes Kraftwerk bezeichnet, aus dessen Abgasen oder mindestens aus einem Teilmassenstrom der Abgase mit Hilfe mindestens einer Schmelzkarbonatbrennstoffzelle (im weiteren als Brennstoffzelle bezeichnet) CO2abgeschieden wird. Typischerweise wird die nutzbare Wärme oder Abwärme der Abgase in mindestens einem Abwärmekessel weiter genutzt. Der in dem mindestens einen Abwärmekessel erzeugte Dampf wird zur Erzeugung elektrischer Energie in einer Dampfturbine unter Arbeitsabgabe entspannt oder als Prozesswärme in einer Kraft- Wärmekopplung weiter genutzt.

[0010] Das wesentliche Element der CO2 - Abscheidung ist die Brennstoffzelle. Sie wird auf der Katodenseite mit Abgasen der Gasturbine versorgt und auf der Anodenseite mit Brennstoff versorgt. Bei einer Brennstoffzelle mit interner Reformierung können fossile Brenngase wie Methan oder Erdgas direkt genutzt werden. Bei anderen Brennstoffzellen wird Wasserstoff als Brenngas verwandt oder es ist eine externe Reformierung vor der Brennstoffzelle vorzusehen.

[0011] In der Brennstoffzelle reagiert der reformierte Wasserstoff der Annodenseite mit den Abgasen der Kathodenseite. Dabei wird elektrische Energie erzeugt und der grösste Teil des CO2auf die Anodenseite transportiert und über den Austritt der Katodenseite abgeleitet. Weiter entsteht als Reaktionsprodukt Wasser, das ebenfalls auf der Anodenseite dampfförmig abgegeben wird. Das Wasser kann durch Kondensation leicht abgeschieden werden. Je nach weiterer Verwendung kann der CO2 reiche Abgasstrom der Anode nach Auskondensation des Wassers direkt weiter geleitet werden oder einer weiteren Aufbereitung zugeführt werden. Aus der Katodenseite tritt Abgas mit reduziertem CO2- und Sauerstoffgehalt aus, das über einen Kamin an die Umwelt abgegeben werden kann.

[0012] Der Kern der Erfindung ist ein Verfahren zum Betrieb eines Gasturbinen-Kraftwerks mit Abgasrezirkulation in den Ansaugstrom der Gasturbine und mindestens einer Brennstoffzelle, wobei CO2 aus den nicht rezirkulierten Abgasen in der mindestens einen Brennstoffzelle abgeschieden wird, sowie ein Kraftwerk zur Durchführung des Verfahrens. Das Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass der Rezirkulationsmassenstrom zur Optimierung der Gesamtleistung und des Gesamtwirkungsgrads des Kraftwerkes geregelt wird. Dafür wird der Rezirkulationsmassenstrom so geregelt, dass unter der Randbedingung eines stabilen Gasturbinenbetriebs die Abgaszusammensetzung der Gasturbine einen optimalen Betrieb der nachgeschalteten mindestens einen Brennstoffzelle ermöglicht. Für einen optimalen Betrieb der Brennstoffzelle wird der CO2 - Gehalt der Abgase durch Rezirkulation erhöht, soweit dies die damit verbundene Absenkung des Sauerstoffgehaltes zulässt.

[0013] Als stabiler Gasturbinenbetrieb wird dabei ein Betrieb verstanden, in dem die Verbrennung vollständig und ohne starke Brennkammerpulsationen, wie sie bei zu tiefer Verbrennungstemperatur und zu geringem Sauerstoffgehalt auftreten können, erfolgt.

[0014] In dem vorgeschlagenen neuen Verfahren kann durch die Regelung des Rezirkulationsmassenstroms die Abgaszusammensetzung für den gesamten Betriebsreich, insbesondere auch für Teillast, an die Erfordernisse der nachgeschalteten Brennstoffzelle angepasst werden.

[0015] Die Abgaszusammensetzung einer Gasturbine, insbesondere die CO2- und Sauerstoffkonzentration der Abgase oder der CO2 - Gehalt und Sauerstoffgehalt, ist von der Zusammensetzung der Verdichteransauggase sowie verschieden Betriebsparametern abhängig. Eine Regelung des Rezirkulationsmassenstroms zur Anpassung an die Erfordernisse der nachgeschalteten Brennstoffzelle kann entsprechend als Funktion mindestens eines Betriebsparameters der Gasturbine geregelt werden. Beispielsweise kann der Rezirkulationsmassenstrom als Funktion der Last der Gasturbine und/ oder der Turbineneintrittstemperatur und/ oder der Position der mindestens einen verstellbaren Verdichtervorleitreihe zur Optimierung der Abgaszusammensetzung für die nachgeschaltete Brennstoffzelle geregelt werden.

[0016] In einer weiteren Ausführung wird für die Regelung der Abgaszusammensetzung eine Online Gasanalyse der Gasturbinenabgase zwischen Gasturbine und Eintritt in die Brennstoffzelle vorgeschlagen. Alternativ kann auch eine Online Gasanalyse des Rezirkulationsmassenstroms oder der Gasturbinen- Ansaugluft nach Zumischung des Rezirkulationsmassenstromes durchgeführt werden.

[0017] Neben CO2 - und Sauerstoffgehalt Gehalt im Abgas kann ausserdem die TAT (Turbinenaustrittstemperatur) und damit die Eintrittstemperatur in die Brennstoffzelle durch Variation des Rezirkulationsmassenstroms und/ oder der Temperatur des Rezirkulationsmassenstroms nachgeregelt werden. Insbesondere kann hierfür die Temperatur, auf die der Rezirkulationsmassenstrom rückgekühlt wird, verwendet werden.

[0018] Solange die Gasturbine nicht durch ein TAT Limit begrenzt ist, ist bei konstanter relativer Last die TAT proportional zur Kompressoreintrittstemperatur. Dabei ist als relative Last das Verhältnis von aktueller Leistung zur Volllastleistung bei den gleichen ambienten Randbedingungen, insbesondere bei gleicher Eintrittstemperatur bezeichnet. Beispielsweise führt eine Erhöhung der Kompressoreintrittstemperatur bei konstanter relativer Last zur TAT- Erhöhung. Die TAT kann daher ohne in das Betriebskonzept der Gasturbine einzugreifen durch eine Regelung der Verdichtereintrittstemperatur beeinflusst oder nachgeregelt werden.

[0019] In einer weiteren Ausführung wird die Eintrittstemperatur in die Brennstoffzelle mit einem, zwischen Gasturbine und Brennstoffzelle angeordneten, Temperatur-Regel- Abwärmekessel geregelt. Dieser hat hauptsächlich die Funktion, die Gasturbinenabgase auf die für den Betrieb der Brennstoffzelle optimale Brennstoffzelleneintrittstemperatur abzukühlen. Abhängig von der Bauart der Gasturbine und deren Betriebspunkt liegt die TAT über der optimalen Brennstoffzelleneintrittstemperatur. Mit einem Abwärmekessel, dessen abgeführte Wärme regelbar ist, kann die Brennstoffzelleneintrittstemperatur über weite Lastbereiche geregelt werden. Die Brennstoffzelleneintrittstemperatur kann allein über einen Temperatur- Regel- Abwärmekessel oder in Kombination mit der TAT-Regelung geregelt werden. Die in diesem Kessel abgeführte Abwärme wird nutzbringend zum Beispiel in einem Wasser- Dampf- Kreislauf genutzt.

[0020] Ein wichtiger Schritt zur Wirkungsgraderhöhung ist es, durch Abgasrezirkulation den CO2 - Gehalt der Abgase für einen effektiven Betrieb der Brennstoffzelle zu erhöhen. In einer weiteren Ausführung wird CO2 aus dem Annodenaustritt der Brennstoffzelle zur Erhöhung des CO2- Gehaltes in den Katodenmassenstrom vor oder beim Eintritt in die Brennstoffzelle rezirkuliert. Die Abzweigung zur Rezirkulation ist unmittelbar nach der Brennstoffzelle, nach bzw. aus dem der Anode nachgeschalteten Abwärmekessel, nach der Wasserabscheidung oder nach einerweiteren Aufbereitung des Anodenabgasstroms möglich. Bei einer Abzweigung vor dem Abwärmekessel kann ein separater Abwärmekessel für den rezirkulierten CO2 - reichen Massenstrom vorgesehen werden, damit die Eintrittstemperatur in die Brennstoffzelle in dem optimalen Betriebsbereich gehalten wird. Bei Rezirkulation von CO2 nach der Wasserabscheidung oder nach einerweiteren Aufbereitung kann eine Vorwärmung des rezirkulierten CO2 -Stromes vor der Zumischung zu dem Katodenmassenstrom vorteilhaft sein. Dies kann beispielsweise durch Wärmetausch in einem der Abwärmekessel stattfinden oder im Wärmetausch mit den Abgasen stattfinden. Bei einer Entnahme aus dem Abwärmekessel kann der Rezirkulationsmassenstrom direkt auf dem optimalen Temperaturniveau abgezweigt werden. Diese CO2 - Rezirkulation bietet einen zusätzlichen Parameter zur Regelung des CO2 - Gehaltes und der Temperatur des Katodenmassenstrom am Brennstoffzelleneintritt.

[0021] Um eine Rezirkulation von CO2 zu ermöglichen, kann eine Reduktion der Abgasrezirkulation erforderlich sein, um einen für die Brennstoffzelle ausreichenden Sauerstoffgehalt zu gewährleisten.

[0022] Durch Regelung des Rezirkulationsmassenstroms, der Temperatur der rezirkulierten Abgase und des rezirkulierten CO2- Stroms sowie der Temperatur des rezirkulierten CO2- Stroms erhält man neue Regeigrössen, mit denen die TAT bzw. die Brennstoffzellen- Eintrittstemperatur auch bei Teillast in dem für den Betrieb der Brennstoffzelle erforderlichen Temperaturbereich gehalten werden kann.

[0023] Als Randbedingung bei der Regelung des Rezirkulationsmassenstroms der Gasturbine muss gewährleistet sein, dass der Sauerstoffgehalt in der Gasturbinen- Ansaugluft zur sauberen vollständigen Verbrennung ausreicht, und dass der Sauerstoffgehalt in den Gasturbinen- Abgasen für den Betrieb der Brennstoffzelle ausreicht.

[0024] Je nach weiterer Verwendung der CO2 - reichen Anodenabgase kann eine Wasserabscheidung mit nachfolgender CO2 Abscheidung erforderlich sein. Aufgrund der hohen CO2Konzentration in den Anodenabgasen ist eine CO2Abscheidung beispielsweise durch CO2 Absorption mit relativ wenig Energieaufwand möglich. Dies kann insbesondere dann vorteilhaft sein, wenn die Brennstoffzelle mit unvollständiger Brennstoffumsetzung betrieben wird und ein relativ hoher Anteil an unverbrannten Brenngasen in den Anodenabgasen verbleibt. Der unverbrannte Brennstoff kann nach der CO2 Abscheidung weiter verwendet werden. Beispielsweise kann der unverbrannte Brennstoff zusammen mit anderen in dem Abgas verbleibenden Gasen nutzbringend in den Anodeneintritt rezirkuliert werden.

[0025] Ein Betrieb der Brennstoffzelle mit unvollständiger Brennstoffumsetzung führt typischerweise zu einem höheren Wirkungsgrad des in der Brennstoffzelle umgesetzten Brennstoffes, weshalb ein Betrieb mit unvollständiger Brennstoffumsetzung und CO2Abscheidung vorteilhaft sein kann.

[0026] Eine weitere Möglichkeit die Brennstoffzelle mit unvollständiger Brennstoffumsetzung betreiben zu können ist die Kombination mit mindestens einem katalytischen Brenner. Dieser kann entweder in den Austrittsbereich der Brennstoffzelle integriert sein oder separat in den Abgasströmen der Brennstoffzelle angeordnet sein.

[0027] Je nach Brennstoffzellenart und Betriebszustand sind die Abgase mit hohen Emissionen und Verunreinigungen belastet. Durch die nachfolgende Verbrennung in einem katalytischen Brenner kann die Reinheit der Abgase erhöht werden. Dies kann insbesondere dann vorteilhaft sein, wenn als Nachbehandlung nur eine Wasserabscheidung vorgesehen ist. Damit wird der Gesamtaufbau und Prozess vereinfacht. Die bei der katalytischen Verbrennung frei werdende Wärme wird ausserdem nutzbringend in dem nachgeschalteten Abwärmekessel verwendet.

[0028] Ein Vorteil Vorteil des Verfahrens mit Abgasrezirkulation ist die Erhöhung des CO2 - Gehaltes in den Abgasen, der zu einer Erhöhung des Brennstoffzellenwirkungsgrads führt. Weiter wird der Katodenmassenstrom der zu behandelnden Abgase reduziert, wodurch die Grösse der Brennstoffzelle und damit die Anlagenkosten reduziert werden können.

[0029] Weiter kann der CO2 - Gehalt über einen weiten Betriebsbereich nahe des Optimums gehalten werden, so dass auch der Teillastwirkungsgrad der Brennstoffzelle und damit des Gesamtkraftwerks erhöht wird.

[0030] Um einen hohen Gesamtwirkungsgrad des Kraftwerkes zu erzielen, wird in weiteren Ausführungen die nutzbare Abwärme von mindestens einem Teil der Rezirkulationsströme und der Abgasströme in mindestens einem Abwärmekessel zur Dampferzeugung genutzt. Der Dampf kann nutzbringend zur Kraft-Wärmekopplung verwendet werden oder unter Arbeitsabgabe zum Antrieb eines Generators in einer Dampfturbine entspannt werden.

[0031] In einer weiteren Ausführung wird das Verfahren auf ein Kraftwerk mit einer Gasturbine mit sequentieller Verbrennung vorgeschlagen. Herkömmliche Gasturbinen mit sequentieller Verbrennung sind beispielsweise aus der EP0 620 362 bekannt. Eine derartige Gasturbine hat mindestens einen Verdichter, dem eine erste Brennkammer und eine erste Turbine folgt. Der Abgasstrom der ersten Turbine wird in einer zweiten Brennkammer wieder erwärmt, bevor er in einer zweiten Turbine weiter entspannt wird. Gasturbinen mir sequentieller Verbrennung haben typischerweise den Vorteil einer hohen Turbinenaustrittstemperatur. Damit werden in einem weiten Betriebsbereich, typischerweise ab etwa 40 % bis 50 % relativer Last bis zu Volllast, Randbedingungen für eine Temperatur- Regel- Abwärmekessel geschaffen, die es erlauben die Katodeneintrittstemperatur der Brennstoffzelle auf die optimale Temperatur ein zu stellen. Diese ist bauartspezifisch und liegt typischerweise im Bereich von etwa 550°C bis 650°C, beispielsweise bei etwa 600°C.

[0032] Neben dem Verfahren ist ein Kraftwerk zur Durchführung des Verfahrens Gegenstand der Erfindung. Ein Kraftwerk zur Durchführung besteht aus mindestens einer Gasturbine, mindestens einer Brennstoffzelle und mindestens einer Leitung zur Abgasrezirkulation eines Teils des Abgasstromes der Gasturbine in die Ansaugluft der Gasturbine.

[0033] Zur Regelung des Rezirkulationsmassenstroms wird im Abgasstrom der Gasturbine entweder eine verstellbare Klappe, ein fester Abgasteiler mit anschliessendem Regelelement, wie einer Klappe oder einem Ventil, ein regelbares Gebläse oder eine anderes geeignetes Steuerorgan vorgesehen.

[0034] Um die Abwärme der Gasturbine und/ oder der Brennstoffzelle zu nutzen, ist typischerweise mindestens ein Abwärmekessel stromab der Gasturbine und/ oder stromab der Brennstoffzelle angeordnet. Typischerweise ist weiter ein Abwärmekessel in dem Rezrikulationsstrom angeordnet.

[0035] Zur besseren Kontrolle der Eingangstemperatur der Brennstoffzelle kann ein Abwärmekessel zwischen Gasturbine und Katodeneintritt der Brennstoffzelle angeordnet sein. Um eine Temperaturkontrolle zu ermöglichen zeichnet sich dieser Abwärmekessel beispielsweise dadurch aus, dass die Speisewassermenge abhängig von der Austrittstemperatur der Abgase geregelt wird.

[0036] Um eine weitere Möglichkeit zur Regelung des CO2 - Gehalts der Katodeneintrittsgase der Brennstoffzelle zu schaffen, kann eine CO2 -Rezirkulationssleitung von den Abgasen der Anodenseite der Brennstoffzelle in Abgasleitung der Gasturbine stromauf des Katodeneintritts der Brennstoffzelle angeordnet werden. Als Regelelement kann in der Rezirkulationsleitung oder in deren Anschlüssen beispielsweise ein Ventil oder eine verstellbare Klappe in Kombination mit einem Gebläse vorgesehen werden. Alternativ kann beispielsweise ein regelbares CO2 - Rezirkulationsgebläse in der CO2 -Rezirkulationsleitung oder in deren Anschlüssen angeordnet werden.

[0037] Mit diesem zusätzlichen Regelglied kann in Kombination mit der Abgasrezirkulation der Gasturbine der CO2 - Gehalt in einem weiten Betriebsbereich des Kraftwerks für einen optimierten Betrieb der Brennstoffzelle geregelt werden. Als weiter Betriebsbereich ist hier typischerweise der Bereich von Volllast bis etwa 50% Last bezeichnet. Die vorgeschlagene Kombination kann je nach Auslegung der Gasturbine und der Rezirkulationsleitungen sogar eine Optimierung des CO2- Gehaltes bis zu tieferer Teillast, beispielsweise bis zu 30% Teillast oder weniger, ermöglichen.

[0038] Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben und ergeben sich aus der Beschreibung und den beiliegenden Zeichnungen. Alle erläuterten Vorteile sind nicht nur in den jeweils angegebenen Kombinationen, sondern auch in anderen Kombinationen oder Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.

[0039] Eine Ausführung zeichnet sich beispielsweise durch einen Abgasbypass um die Brennstoffzelle aus. Dieser ermöglicht einen Betrieb der Gasturbine ohne die Brennstoffzelle, solange die Abgase der Gasturbine beim Start oder sehr tiefer Teillast, d.h. Lastpunkten von Lehrlauf bis zu beispielsweise etwa 30% Teillast, für den Betrieb der Brennstoffzelle zu kalt sind. Ausserdem ermöglicht sie den Betrieb der Gasturbine, wenn die Brennstoffzelle beispielsweise für Wartungen ausser Betrieb ist.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

[0040] Die Erfindung ist anhand von Ausführungsbeispielen in den Fig. 1 bis 3 schematisch dargestellt.

[0041] Es zeigen:

[0042] Fig. 1 ein Gasturbinenkraftwerk mit Brennstoffzelle zur CO2 Abscheidung, einen Abgasteiler zur Aufteilung der Gasturbinenabgase in einen Rezirkulationsmassenstrom und einen Katodeneintrittsstrom,

[0043] Fig. 2 ein Gasturbinenkraftwerk mit Brennstoffzelle zur CO2 Abscheidung, einen Temperatur- Regel- Abwärmekessel, einen Abgasteiler zur Aufteilung der Gasturbinenabgase in einen Rezirkulationsmassenstrom und einen Katodeneintrittsstrom, sowie in die Brennstoffzelle auf der Katoden- und Annodenseite an die Brennstoffzelle anschliessende katalytische Brenner,

[0044] Fig. 3 den beispielhaft den Verlauf des CO2 - Gehaltes in den Abgasen einer herkömmlichen Gasturbine ohne Rezirkulation, den Verlauf des CO2 - Gehaltes in den Abgasen einer Gasturbine eines Gasturbinenkraftwerks mit Brennstoffzelle und Abgasrezirkulation sowie den zugehörigen Verlauf der Rezirkulationsrate über relativer Last.

Ausführung der Erfindung

[0045] Fig. 1 zeigt schematisch ein Gasturbinenkraftwerk mit Brennstoffzelle zur CO2Abscheidung zur Durchführung des erfindungsgemässen Verfahrens. Es besteht aus einer Gasturbine 6 und mindestens einer Brennstoffzelle 15. Die Gasturbine 6 umfasst auf an sich bekannte Weise mindestens einen Verdichter 1, mindestens eine Brennkammer 4 und mindestens eine Turbine 7. Typischerweise ist ein Generator 25 am kalten Ende der Gasturbine 6, das heisst am Verdichter 1, angekuppelt.

[0046] Der Brennstoff 5, Gas oder Oil, wird in der Brennkammer 4 mit im Verdichter 1 komprimierten Gasen vermischt und verbrannt. Die Heissgase werden unter Arbeitsabgabe in der nachfolgenden Turbine 7 entspannt. Erfindungsgemäss werden die Abgase der Gasturbine in einem Abgasteiler 29 in zwei Teilmassenströme geteilt. Ein erster Teilmassenstrom, der Rezirkulationsmassenstrom 21 wird nach Abgabe der nutzbaren Wärme in einem ersten Abwärmekessel 9 und Rückkühlung in einem Abgasrezirkulations-Rückkühler 27 in die Ansaugluft 2 rezirkuliert. Der Abgasrezirkulations-Rückkühler 27 verfügt typischerweise über einen Kondensatabscheider (nicht dargestellt). Es sind verschiedene Arten von Abgasrezirkulations- Rückkühler 27 bekannt. Beispielsweise können sie als Luft- Wärmetauscher ausgeführt sein und die Abwärme an die Umgebungsluft abgegeben. Wenn ausreichende Mengen an Kühlwasser verfügbar sind, ist eine Wasserkühlung vorteilhaft. Insbesondere, wenn damit an heissen Tagen die Eintrittstemperatur in die Gasturbine abgesenkt werden kann, um deren Leistung zu verbessern. Ausserdem ist die Baugrösse kleiner.

[0047] Der Frischdampf 30 des Abwärmekessels 9 wird zur Leistungsabgabe an eine Dampfturbine 13 geleitet. Die Dampfturbine 13 treibt in dem gezeigten Beispiel über eine Welle einen zweiten Generator 26 an. Der Abwärmekessel 9 mit Dampfkreislauf ist stark vereinfacht dargestellt. Kondensator, Speisewasserpumpen und weitere bekannte Komponenten des Dampfkreislaufes sind zur Vereinfachung nicht dargestellt. Typischerweise wird der Dampfkreislauf als Mehrdruckkreislauf durchgeführt.

[0048] Ein zweiter Teilmassenstrom, der wird als Katodenmassenstrom 20 in die Katode 17 der Brennstoffzelle 15 geleitet. Die CO2armen Austrittsgase der Kathode 17 werden in einen zweiten Abwärmekessel 33 geleitet, wo sie ihre nutzbare Wärme zur Dampferzeugung abgeben. Dieser Dampf kann zur Leistungsabgabe an eine Dampfturbine oder nutzbringend für Kraft-Wärmekopplung genutzt werden. Der Abwärmekessel 33 kann mit dem Wasserdampfkreislauf des ersten Abwärmekessels 9 verbunden sein (nicht dargestellt) und damit eine gemeinsame Dampfturbine angetrieben werden. Die Katodenabgase werden als CO2armes Abgas 22 von dem zweiten Kessel 33 über ein Kamin 32 an die Umgebung abgegeben.

[0049] Die Abgase oder ein Teil der Abgase der Gasturbine können von dem Abgasteiler 29 über einen Abgasbypass 24 auch direkt zum Kamin 32 geleitet werden. Dies wird beispielsweise über eine Bypassklappe oder ein Bypassventil 12 geregelt. Damit können beispielsweise zum Anfahren der Gasturbine deren Abgase direkt über den Kamin 32 abgegeben werden, solange diese für den Betrieb der Brennstoffzelle 22 noch zu kalt sind. Ausserdem erlaubt der Bypass 24 den Betrieb der Gasturbine 6, wenn die Brennstoffzelle 15 zum Beispiel für Wartungszwecke abgeschaltet ist. Der Bypass 24 erlaubt weiter in Kombination mit dem Rezirkulationsmassenstrom eine flexible Regelung des Abgasmassenstroms, der durch die Brennstoffzelle 15 geleitet wird.

[0050] Die Anode 18 der Brennstoffzelle 15 wird mit Brennstoff für Brennstoff 28 versorgt. Der Brennstoff 28 ist auf die Art der Brennstoffzelle 15 abzustimmen. Beispielsweise kann Wasserstoff genutzt werden. Bei Brennstoffzellen 15 mit interner Reformierung kann Erdgas oder reines Methan genutzt werden. Der Brennstoff 28 reagiert in der Brennstoffzelle 15 unter Abgabe elektrischer Leistung 8.

[0051] Die CO2 reichen Austrittsgase der Anode 18 werden in einem dritten Abwärmekessel 34 geleitet, wo sie ihre nutzbare Wärme zur Dampferzeugung abgeben. Dieser Dampf kann zur Leistungsabgabe an eine Dampfturbine oder nutzbringend für Kraft-Wärmekopplung genutzt werden. Der Abwärmekessel 34 kann mit dem Wasserdampfkreislauf des ersten Abwärmekessels 9 und/ oder des zweiten Abwärmekessels 33 verbunden werden (nicht dargestellt) und damit eine gemeinsame Dampfturbine antreiben.

[0052] Die in den Abgasen der Anodenseite der Brennstoffzelle 15 enthaltene Feuchtigkeit wird nach dem dritten Kessel 34 in einem Wasserabscheider 23 entfernt. Die verbleibenden Anodenabgase 35 haben eine hohe CO2 Konzentration. In dem gezeigten Beispiel werden sie direkt zur weiteren Verwendung, beispielsweise zur Kompression für Transport und Entlagerung geleitet. Sie können aber auch einer weiteren Aufbereitung zugeführt werden.

[0053] In dem gezeigten Beispiel ist weiter eine Rezirkulation von CO2reichen Anodenabgasen der Brennstoffzelle 15 in deren Kathodeneintritt vorgesehen. Durch die gezeigte CO2- Rezirkulationsleitung können mit Hilfe eines CO2-Rezirkulationsgebläses 38 ein Teil der CO2reichen Anodenabgase der Brennstoffzelle 15 zu dem Kathodeneintritt gefördert werden. Der CO2 -Rezirkulationsstrom kann über das CO2 - Rezirkulationsgebläse 38 geregelt werden und/ oder über die Klappe oder das Ventil für den CO2 -Rezirkulationsstrom 39. Wenn keine CO2 - Rezirkulation erforderlich ist, kann das Rezirkulationsgebläse 38 abgeschaltet werden und durch Schliessen der Klappe oder des Ventil für den CO2- Rezirkulationsstrom 39 ein ungewollter Bypass der Gasturbinenabgase um die Brennstoffzelle 15 in deren Anodenabgase 35 unterbunden werden.

[0054] In einer weiteren Ausführung sind der zweite und dritte Abwärmekessel 33/ 34 in einem Kessel zusammengefasst. Weiter können der zweite und/ oder der dritte Abwärmekessel mit dem ersten Abwärmekessel 9 zusammengefasst werden.

[0055] In dem gezeigten Beispiel ist ein Abgasgebläse für den Rezirkulationsmassenstrom 11 vorgesehen und ein Abgasgebläse für den Katodenmassenstrom 10 vorgesehen. Je nach Überdruck der Abgase aus der Turbine 7 und den Druckverlusten in den Strömungswegen der beiden Teilströme kann auf die Gebläse verzichtet werden.

[0056] Um eine gut Regelung der Gaszusammensetzung für Gasturbine 6 und Brennstoffzelle 15 zu realisieren sind in dem gezeigten Beispiel eine Ansaugluft CO2 und/ oder 02 Messinstrument 36 sowie ein Gasturbinenabgas CO2 und/ oder 02 Messinstrument 37 vorgesehen.

[0057] Fig. 2 zeigt schematisch ein zweites Beispiel für ein Gasturbinenkraftwerk mit Brennstoffzelle zur CO2 Abscheidung. In diesem Beispiel ist zwischen Turbine 7 und Abgasteiler 29 zusätzlich ein Temperatur- Regel- Abwärmekessel 43 angeordnet. Durch Regelung der Abwärme, die den Gasturbinenabgasen 19 entzogen wird, wird die Eintrittstemperatur der Gase der Katode 17 der Brennstoffzelle geregelt.

[0058] Weiter ist in der Fig. 2eine Brennstoffzelle 15 mit stromab angeordnetem katalytischen Brenner 40 auf der Annodenseite und mit stromab angeordnetem katalytischen Brenner 41 auf der Katodenseite dargestellt. Die katalytischen Brenner erlauben den Betrieb einer Brennstoffzelle 15 mit unvollständiger Brennstoffumsetzung. Als Brennstoffumsetzung wird dabei der Anteil des vollständig oxydierten Brennstoffes an dem gesamten Brennstoff 28 für die Brennstoffzelle 15 bezeichnet.

[0059] Eine Brennstoffzelle 15 kann beispielsweise unter den Randbedingungen, wie sie durch die Gasturbinenabgase 19 gegeben sind, bei teilweiser Brenngasumsetzung einen höheren Wirkungsgrad bezogen auf das umgesetzte Brenngas für die Brennstoffzelle 28 erzielen, als wenn eine praktisch vollständige Brenngasumsetzung angestrebt wird. Als vollständige Brenngasumsetzung kann typischerweise eine Umsetzung von mehr als 99% des Brenngases 28 angesehen werden. Weiter kann durch eine Reduktion der Brennstoffumsetzung die Zellspannung und die Leistungsdichte der Brennstoffzelle 15 erhöht werden und damit die Baugrösse der Brennstoffzelle 15 reduziert werden.

[0060] Je nach Verlauf des Brennstoffzellenwirkungsgrades über Umsetzung des Brenngases 28 in der Brennstoffzelle 15 und des nachgeschalteten dritten Abwärmekessels 34 mit zugehörigem Wasserdampfkreislauf, wird die optimale Umsetzung beispielsweise bei 80% bis 90% liegen. Die Umsetzung für einen optimalen Gesamtwirkungsgrad des Kraftwerkes liegt tiefer, je besser die bei der katalytischen Verbrennung frei werdende Wärme im anschliessenden Wasser-Dampfkreislauf genutzt werden kann.

[0061] Die übrigen Teile der in Fig. 2gezeigten Kraftwerksanlage entsprechen den Teilen mit gleichem Bezugszeichen aus der Fig. 1.

[0062] Fig. 3 zeigt über der relativen Last Prei der Gasturbine 6 beispielhaft den Verlauf des CO2 - Gehaltes in den Abgasen einer herkömmlichen Gasturbine ohne Rezirkulation GT- CO2, den Verlauf des CO2 - Gehaltes in den Abgasen einer Gasturbine eines Gasturbinenkraftwerks mit Brennstoffzelle und Abgasrezirkulation R- CO2 sowie den zugehörigen Verlauf der Rezirkulationsrate rr. Der CO2 - Gehalt der Abgase ist in dem Beispiel sowohl für die herkömmliche Gasturbine als auch für die Gasturbine mit Rezirkulation mit dem CO2 - Gehalt bei Volllast der Gasturbine mit Rezirkulation normiert.

[0063] Die Rezirkulationsrate rr ist mit der Rezirkulationsrate bei Volllast der Gasturbine mit Rezirkulation normiert. Als Rezirkulationsrate ist der Quotient aus Rezirkulationsmassenstrom 21 durch den Gesamtabgasmassenstrom der Gasturbine bezeichnet.

[0064] In dem gezeigten Beispiel wird der CO2 - Gehalt der Abgase mit Rezirkulation R- CO2 im gesamten Lastbereich deutlich über dem CO2 - Gehalt ohne Rezirkulation GT- CO2 gehalten. Bei Teillast unter etwa 60% Prei wird in diesem Beispiel die Rezirkulationsrate rr reduziert um eine vollständige, stabile Verbrennung der Gasturbine zu gewährleisten. Verbunden mit einer bei Teillast sinkenden CO2 Produktion der Gasturbine führt dies zu einer spürbaren Reduktion des CO2-Gehaltes in den Abgasen mit Abgasrezirkulation R- CO2, Der CO2- Gehalt in den Abgasen bei Abgasrezirkulation R- CO2bleibt aber weiter deutlich über dem CO2-Gehalt ohne Abgasrezirkulation GT- CO2.

[0065] Da der Rest- Sauerstoffgehalt in den Abgasen bei Abgasrezirkulation umgekehrt proportional zu dem CO2 - Gehalt in den Abgasen ist, kann in diesem Beispiel unterhalb von etwa 60% Prei eine CO2 - Rezirkulation von dem Anodenaustritt der Brennstoffzelle 15 in den Katodeneintritt durchgeführt werden und damit der CO2 -Gehalt auch bei tiefer Teillast auf den für die Brennstoffzelle 15 optimalen Wert eingestellt werden.

[0066] Die möglichen Ausführungen der Erfindung sind nicht auf die hier dargestellten Beispiele beschränkt. Anhand der Beispiele eröffnen sich dem Fachmann eine Vielzahl von Möglichkeiten äquivalente Kombinationen von Gasturbinen mit Brennstoffzellen und Verfahren zu deren Betrieb zu realisieren. Insbesondere bei der Anordnung der verschieden Komponenten des Kraftwerkes, der Ausnutzung von Abwärme für Kraft-Wärmekopplung, auch Cogeneration genannt, oder beispielsweise zur Brenngasvorwärmung sind viele Möglichkeiten gegeben. Beispielsweise kann der Temperatur- Regel- Abwärmekessel 43 auch zwischen dem Abgasverteiler 29 und der Brennstoffzelle 15 angeordnet sein. Weiter ist auch für die Nachbehandlung der Abgase und des CO2 reichen Abgasstromes eine grosse Anzahl von Kombinationen möglich.

[0067] In einem weiteren Ausführungsbeispiel, bei dem die Rezirkulationsrate rr bei Teillast nicht wie es in dem in Fig. 3 dargestellten Beispiel durch eine instabile Verbrennung eingeschränkt wird, kann der CO2 - Gehalt den Gasturbinenabgasen 19 bis zu tiefer Teillast durch erhöhen der Rezirkulationsrate rr auf dem für die Brennstoffzelle 15 optimalen Niveau gehalten werden. So kann auf eine Rezirkulation um die Brennstoffzelle (15) auch bei tiefer Teillast verzichtet werden.

[0068] In einem Ausführungsbeispiel mit hoher Rezirkulationsrate rr bei tiefer Teillast, steigen aber typischerweise die CO Emissionen der Gasturbine 6. Als hoch sind CO Emissionen (Kohlenmonoxid- Emissionen) typischerweise von 10 ppm und mehr angesehen. Dabei können die CO Emissionen bei Teillast mit hohem Rezirkulationsmassenstrom schnell auf über 100 ppm oder sogar einige hundert ppm ansteigen.

[0069] Aufgrund der vorteilhaften erfindungsgemässen Anordnung werden die Gasturbinenabgase 19 mit den hohen CO Emissionen in die Brennstoffzelle 15 geleitet. Dort reagiert das CO mit Wasserdampf weiter zu CO2 und Wasserstoff H2. Der Wasserstoff wird weiter auf der Kathodenseite reagieren. Aufgrund der niedrigen CO Konzentrationen und daraus resultierenden niedrigen Wasserstoffkonzentrationen wird die Wasserstoffumsetzung problemlos toleriert. Weiter ist eine katalytische Umsetzung des CO mit Restsauerstoff der Abgase 19 zu CO2möglich. Dafür ist beispielsweise ein Katalytischer Brenner 41 auf der Katodenseite geeignet, der als Oberflächenkatalysator mit Nickel ausgeführt ist. Das CO2 tritt entsprechend der Umsetzung in der Brennstoffzelle 15 aus der Anode 18 der Brennstoffzelle 15 aus.

Bezugszeichenliste

[0070] <tb>1<sep>Verdichter <tb>2<sep>Umgebungsluft <tb>3<sep>Verdichteransauggas <tb>4<sep>Brennkammer <tb>5<sep>Brennstoff für GT <tb>6<sep>Gas Turbine GT <tb>7<sep>Turbine <tb>8<sep>Elektrische Leistung <tb>9<sep>erster Abwärmekessel (HRSGheat recovery steam generator) <tb>10<sep>Abgasgebläse für Katodenmassenstrom (zur Brennstoffzelle) <tb>11<sep>Abgasgebläse für Rezirkulationsmassenstrom (Abgasrezirkulation) <tb>12<sep>Bypassklappe oder Bypassventil <tb>13<sep>Dampfturbine <tb>14<sep>Kondensator <tb>15<sep>Brennstoffzelle <tb>16<sep>Speisewasser <tb>17<sep>Kathode <tb>18<sep>Anode <tb>19<sep>Gasturbinenabgase <tb>20<sep>Katodenmassenstrom (Abgasleitung zur Brennstoffzelle) <tb>21<sep>Rezirkulationsmassenstrom (Leitung zur Abgasrezirkulation) <tb>22<sep>CO2 armes Abgas <tb>23<sep>Wasserabscheider <tb>24<sep>Abgasbypass <tb>25<sep>Erster Generator <tb>26<sep>Zweiter Generator <tb>27<sep>Abgasrezirkulations- Rückkühler (für den Rezirkulationsmassenstrom) <tb>28<sep>Brennstoff für Brennstoffzelle <tb>29<sep>Abgasverteiler <tb>30<sep>Frischdampf <tb>31<sep> <tb>32<sep>Kamin <tb>33<sep>Zweiter Abwärmekessel (für Katodenaustritt) <tb>34<sep>Dritter Abwärmekessel (für Anodenaustritt) <tb>35<sep>Anodenabgas <tb>36<sep>Ansaugluft- CO2 und/ oder 02 Messinstrument <tb>37<sep>Gasturbinenabgas- CO2 und/ oder 02 Messinstrument <tb>38<sep>CO2 - Rezirkulationsgebläse <tb>39<sep>Klappe oder Ventil für CO2 - Rezirkulationsstrom <tb>40<sep>Katalytischer Brenner, Anodenseite <tb>41<sep>Katalytischer Brenner, Katodenseite <tb>42<sep>Wasser <tb>43<sep>Abwärmekessel zur Abgas-Temperaturregelung <tb>Prel<sep>Relative Last der Gasturbine <tb>rr<sep>Rezirkulationsrate <tb>GT-CO2<sep>CO2 Konzentration der Gasturbinenabgase ohne Rezirkulation <tb>R- CO2<sep>2 CO2 Konzentration der Gasturbinenabgase mit Rezirkulation

Claims (15)

1. Verfahren zum Betrieb eines Gasturbinenkraftwerkes mit Brennstoffzelle (15) zur CO2 Abscheidung aus dem Abgasstrom der Gasturbine (6), dadurch gekennzeichnet, dass die Gasturbinenabgase (19) in einen Katodenmassenstrom (20) und einen Rezirkulationsmassenstrom (21) aufgeteilt werden, der Katodenmassenstrom (20) in den Katodeneintritt der Brennstoffzelle (15) eingeleitet wird und der Rezirkulationsmassenstrom (21) gekühlt wird und in den Ansaugstrom der Gasturbine (3) rezirkuliert wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die CO2- und/ oder Sauerstoff- Konzentration der Gasturbinenabgase (19) durch Regelung des Rezirkulationsmassenstroms geregelt wird.

3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Rezirkulationsmassenstrom als Funktion eines Betriebsparameters der Gasturbine (6) geregelt wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Rezirkulationsmassenstrom als Funktion der Last der Gasturbine (6) und/ oder der Turbineneintrittstemperatur und/ oder der Position der mindestens einen verstellbaren Verdichtervorleitreihe geregelt wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1, 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die CO2 - und/ oder Sauerstoff- Konzentration der Gasturbinenabgase (19) und/ oder der Verdichteransaugluft der Gasturbine (3) gemessen werden und dieser Messwert als Eingabe für die Regelung des Rezirkulationsmassenstroms genutzt wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Einstrittstemperatur des Katodenmassenstroms (20) in die Katodenseite der Brennstoffzelle (15) durch Regelung des Rezirkulationsmassenstroms (21) und/ oder einer Rückkühltemperatur des Rezirkulationsmassenstroms (21) nachgeregelt wird.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen Gasturbine (6) und Brennstoffzelle (15) mindestens ein Temperatur-Regel- Abwärmekessel (43) mit regelbarer Abwärmeleistung angeordnet ist und die Eintrittstemperatur des Katodenmassenstroms (20) in die Katodenseite der Brennstoffzelle (15) über die Regelung der Abwärmeleistung dieses Temperatur- Regel- Abwärmekessels (43) geregelt wird.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass zur Regelung der CO2 Konzentration des Katodenmassenstroms (20) in den Katodeneintritt der Brennstoffzelle (15) ein Teil eines Austrittsstromes aus der Anode (18) in den Katodenmassenstrom (20) rezirkuliert wird.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8 dadurch gekennzeichnet, dass die Umsetzung des Brennstoffs der Brennstoffzelle (28) in der Brennstoffzelle (15) unvollständig ist und ein Rest dieses Brennstoffs der Brennstoffzelle (28) in mindestens einem katalytischen Brenner (40, 41), der in oder stromab der Brennstoffzelle (15) angeordnet ist, verbrannt wird.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass nutzbare Abwärme aus dem Katodenmassenstrom (20) und/ oder dem Rezirkulationsmassenstrom (21) und/ oder mindestens einem der Abgasströme der Brennstoffzelle (15) in mindestens einem Abwärmekessel (9, 33, 34, 43) zur Dampferzeugung genutzt wird.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Katodenmassenstrom (20) enthaltenes CO in der Brennstoffzelle (15) reagiert und als CO2 aus der Anode (18) der Brennstoffzelle austritt.

12. Ein Gasturbinenkraftwerk mit Brennstoffzelle zur CO2Abscheidung bestehend aus mindestens einer Gasturbine (6), mindestens einer Brennstoffzelle (15), mindestens einem Abgasteiler (29) von dem aus mindestens eine Rezirkulationsleitung zu der Verdichteransaugseite der Gasturbine (6) führt und mindestens eine Leitung zu dem Katodeneintritt der Brennstoffzelle (15) führt.

13. Ein Kraftwerk nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen Gasturbine (6) und Brennstoffzelle (15) mindestens ein Temperatur- Kontroll-Abhitzekessel (43) zur Regelung der Einstrittstemperatur des Katodenmassenstroms (20) in die Katodenseite der Brennstoffzelle (15) angeordnet ist.

14. Ein Kraftwerk nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Rezirkulationsleitung von dem Anodenaustritt zu dem Katodeneintritt der Brennstoffzelle (15) führt.

15. Ein Kraftwerk nach einem der Ansprüche 11 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein katalytischer Brenner (40, 41) zur Verbrennung von Brennstoffresten in den Austrittsgasen der Brennstoffzelle (15) in oder stromab der Brennstoffzelle (15) angeordnet ist.