DE10057276A1 - Gasturbinenanlage für Biomasse / Biogas / fossile Brennstoffe zur Erzeugung von Nutzwärme und Antriebsenergie - Google Patents

Abstract

Vorgestellt wird eine Gasturbinenanlage für Biomasse/Biogas/fossile Brennstoffe zur Erzeugung von Nutzwärme und Antriebsenergie, z. B. für einen Generator. Dies ist mit 4 ähnlichen Varianten realisierbar: DOLLAR A 1. Gasturbinenanlage für Biomasse mit externem Gasentwickler DOLLAR A Gastubinenanlage, mit Schwelgas aus Biomasse betrieben, mit nachfolgendem Dampferzeuger und Dampfturbine (Kombikraftwerk) und anschließender Verwertung der Abwärme. DOLLAR A 2. Gasturbinenanlage für Biomasse mit externem Gasentwickler, vereinfachte Anlage DOLLAR A Gasturbinenanlage, mit Schwelgas aus Biomasse betrieben, mit anschließender Verwertung der Abwärme. DOLLAR A 3. Gasturbinenanlage für Biomasse, Verbrennung in externem Heizkessel im Ladekreis der Turbine DOLLAR A Gasturbinenanlage für Heizzwecke, die zusätzlich Antriebsenergie, z. B. für einen Generator, liefert. Die Primärenergie für diesen Prozeß wird durch brennbare Biomasse geliefert, die in einem externen Heizkessel verbrannt wird. DOLLAR A 4. Gasturbine als Brenner für Heizkessel DOLLAR A Ein Heizkessel oder ähnlicher Wärmetauscher wird statt mit einem Brenner mit einer Gasturbine beheizt. So wird der Brennstoff nicht nur verbrannt, sondern es entsteht zusätzlich Antriebsenergie, z. B. um einen Generator anzutreiben und dezentral Strom zu erzeugen.

Description

Variante 1 Gasturbinenanlage für Biomasse mit externem Gasentwickler

Hierzu gehört Zeichnung 1 und 2.

Bisherige Kraftwerke mit Gasturbinen verheizen fossile Brennstoffe. Da dies unserer Atmosphäre zusätzliche CO2-Fracht beschert und die fossilen Brennstoffe endlich sind, müssen andere Wege gefunden werden. Mit der nachfolgend vorgestellten Erfindung wird es möglich, solche Kraftwerke mit Biomasse, also nachwachsenden Energieträgern, zu betreiben.

Herzstück der Anlage ist eine Gasturbine (10). Die Kompressorstufe (9) saugt Frischluft an, verdichtet sie und fördert sie durch den Wärmetauscher (11). Hier wird die Ladeluft vorgewärmt. Mit dieser Maßnahme läßt sich der Wirkungsgrad der Gasturbine etwa verdoppeln - auf ca. 40 bis 45 Prozent. Die erhitzte Ladeluft gelangt in die Brennkammer (6). Dort kommt Schwelgas aus dem Gasentwickler (1) hinzu, das mit dem Verdichter (3) gefördert wird, um den Druck im Ladekreis zu überwinden. Der Gasentwickler (1) kann auch mit Druck beaufschlagt werden, z. B. aus dem Ladekreis, um den Ladedruck zu überwinden.

Um Teerablagerungen in der Anlage zu verhindern, passieren die Schwelgase bei Verlassen des Gasentwicklers (1) den Kondensator (2), wo sie abgekühlt und von kondensierbaren Bestandteilen befreit werden.

In der Brennkammer (6) verbrennen diese Gase mit einem Teil der Ladeluft, die übrige Ladeluft wird dabei hocherhitzt. Dabei expandieren diese Gase, die jetzt in die Turbine (8) einströmen und dort mechanische Energie freisetzen. Die Turbine kann jetzt mechanische Energie abgeben, z. B. um einen Generator (13) anzutreiben. Wenn Turbine und Generator unterschiedliche Drehzahlen haben, ist ein Getriebe (12) notwendig.

Nachdem die heißen Abgase die Turbine verlassen haben, passieren sie den Wärmetauscher (11), wo sie einen Teil ihres Wärmeinhaltes an die Ladeluft abgeben, wie weiter oben beschrieben.

Anschließend werden die Abgase durch einen Dampferzeuger (14) geschickt, wo sie weiter abgekühlt werden und im Gegenzug Dampf erzeugt wird. Mit diesem Dampf wird eine Dampfturbine (15) betrieben, die wiederum einen Generator (16) antreibt.

Falls die Temperatur der Abgase bei Eintritt in den Dampferzeuger (14) zu niedrig ist, muß auf den Wärmetauscher (11) teilweise oder ganz verzichtet werden.

Die Abgase, die den Dampferzeuger (14) verlassen, haben noch einen nutzbaren Wärmeinhalt, der in dem Wärmetauscher (20) an Heiz- oder Brauchwasser abgegeben wird.

Derselbe Wärmetauscher (20) wird genutzt, um den Abdampf der Dampfturbine (15) zu kondensieren. Um bei der erneuten Verdampfung Energie zu sparen, wird das abfließende Kondensat mittels der Kurzschlußstrecke(18) und des Thermostates (19) auf einer Temperatur kurz unter 100°C gehalten. Die Kesselspeisepumpe (17) fördert dieses Kondensat zurück zum Dampferzeuger (14).

Das erhitzte Wasser aus dem Wärmetauscher (20) kann für Heizzwecke oder als Brauchwasser u. dgl. genutzt werden.

Diese Anlage ist insbesondere für die großtechnische Anwendung interessant, wo es darum geht, aus Biomasse möglichst viel Strom zu erzeugen.

Da der Betrieb mit nur einem Gasentwickler diskontinuierlich wäre, wären für einen kontinuierlichen Betrieb mehrere Gasentwickler notwendig, die dann umlaufend betrieben werden müssen. Es ist auch möglich, ein vorhandenes Dampfkraftwerk, das bereits über Dampferzeuger und die Nebenanlagen verfügt, mit der Anlage Gasentwickler-Gasturbine nachzurüsten, um die Anlage mit Biomasse zu betreiben, Betriebskosten zu sparen und gleichzeitig den Wirkungsgrad der Gesamtanlage zu verbessern.

Variante 2 Gasturbinenanlage für Biomasse mit externem Gasentwickler, vereinfachte Anlage

Hierzu gehört Zeichnung 3.

Bisherige Kraftwerke mit Gasturbinen verheizen fossile Brennstoffe. Da dies unserer Atmosphäre zusätzliche CO2-Fracht beschert und die fossilen Brennstoffe endlich sind, müssen andere Wege gefunden werden. Mit der nachfolgend vorgestellten Erfindung wird es möglich, solche Kraftwerke mit Biomasse, also nachwachsenden Energieträgern, zu betreiben.

Herzstück der Anlage ist eine Gasturbine (10). Die Kompressorstufe(9) saugt Frischluft an, verdichtet sie und fördert sie durch den Wärmetauscher (11). Hier wird die Ladeluft vorgewärmt. Mit dieser Maßnahme läßt sich der Wirkungsgrad der Gasturbine etwa verdoppeln - auf ca. 40 bis 45 Prozent.

Die erhitzte Ladeluft gelangt in die Brennkammer (6). Dort kommt Schwelgas aus dem Gasentwickler (1) hinzu, das mit dem Verdichter (3) gefördert wird, um den Druck im Ladekreis zu überwinden. Der Gasentwickler (1) kann auch mit Druck beaufschlagt werden, z. B. aus dem Ladekreis, um den Ladedruck zu überwinden.

Um Teerablagerungen in der Anlage zu verhindern, passieren die Schwelgase bei Verlassen des Gasentwicklers (1) den Kondensator (2), wo sie abgekühlt und von kondensierbaren Bestandteilen befreit werden.

In der Brennkammer (6) verbrennen diese Gase mit einem Teil der Ladeluft, die übrige Ladeluft wird dabei hocherhitzt. Dabei expandieren diese Gase, die jetzt in die Turbine (8) einströmen und dort mechanische Energie freisetzen. Die Turbine kann jetzt mechanische Energie abgeben, z. B. um einen Generator (13) anzutreiben. Wenn Turbine und Generator unterschiedliche Drehzahlen haben, ist ein Getriebe (12) notwendig.

Nachdem die heißen Abgase die Turbine verlassen haben, passieren sie den Wärmetauscher (11), wo sie einen Teil ihres Wärmeinhaltes an die Ladeluft abgeben, wie weiter oben beschrieben.

Bei Verfassen des Wärmetauschers (11) haben die Abgase immer noch eine hohe Temperatur. Dieser Energieinhalt kann den Abgasen in dem Wärmetauscher (20) entzogen werden, indem z. B. Wasser für Heizzwecke, Brauchwasser o. a. erwärmt wird.

Diese Technologie dürfte besonders für kleine bis mittelgroße Anlagen interessant sein.

Da passende Turbinen für Kleinanlagen nicht als Serienprodukt erhältlich sind und Sonderanfertigungen teuer wären, können die für diese kleinen Anlagen passenden Turbinen aus Teilen handelsüblicher Turbolader für kleine Dieselmotoren angefertigt werden. Es gibt derartige Aggregate z. B. als Generator für die Bordspannungsversorgung von Flugzeugen in verschiedenen Größen.

Variante 3 Gasturbinenanlage für Biomasse, Verbrennung in externem Heizkessel im Ladekreis der Turbine

hierzu gehört Zeichnung 4.

Bisher ist es nur möglich, Strom aus Biomasse entweder auf dem Weg Verbrennung-Erzeugung von Dampf-Dampfturbine-Generator oder Vergärung-Biogas-Verbrennungsmotor-Generator zu erzeugen. Einen direkten Weg Verbrennung-Turbine-Generator, der gleichzeitig wenig Gerätetechnik benötigt und auch für Kleinanlagen geeignet ist, gibt es bisher noch nicht. Mit der folgenden Erfindung wird das möglich.

Der Kompressor (9) der Gasturbine (10) verdichtet Luft, die dem Heizkessel (4) zugeleitet wird. Dieser Heizkessel ist so gebaut, daß sämtliche Brennräume druckdicht sind.

Damit steht der Heizkessel unter Druck. In dem Heizkessel, ideal wäre ein Holzvergaser-Heizkessel wegen des guten Wirkungsgrades und der guten Abgaswerte, wird der Brennstoff verbrannt. Gewöhnlich gelangen die heißen Verbrennungase von hier aus in den Wärmetauscher (20), um hier Wasser für Heizung und Brauchwasser zu erwärmen.

An dieser Stelle muß der Herzkessel (4) modifiziert werden. Die Verbindung Brennkammer (5)- Wärmetauscher (20) wird verschlossen. Ein Anschluß wird als Ausgang der Brennkammer nach außen geführt bis zur Turbine (8). Ein weiterer Anschluß führt von der Turbine zu dem Wärmetauscher (20). Zwischen diesen beiden Anschlüssen befindet sich das Kurzschlußventil (21). Das ist ein Ventil, das aus Sicherheitsgründen aus eigener Kraft geöffnet ist und mit einem Steuerorgan geschlossen wird.

Im Normalbetrieb ist das Kurzschlußventil (21) geschlossen. Die heißen Verbrennungase drücken in die Turbine (8), verrichten mechanische Arbeit und gelangen von hier aus in den Wärmetauscher (20), wo sie Wasser für Heizzwecke, Brauchwasser usw. erwärmen können.

Die mechanische Leistung der Turbine wird für Antriebszwecke, z. B. einen Generator (13), genutzt. Wenn die Drehzahlen der Turbine und des Generators (13) unterschiedlich sind, ist ein Getriebe (12) erforderlich.

Die Ausbeute an mechanischer/elektrischer Leistung dürfte je nach Turbine zwischen 20 und 30% der primären Heizleistung betragen.

Die Funktion des Kurzschlußventils (21) besteht darin, bei plötzlichem Lastabfall, wie z. B. Ausfall des Stromnetzes oder Unterbrechung im Generatorkreis, die unter Druck stehenden Verbrennungase aus der Brennkammer (5) direkt in den Wärmetauscher (20) entweichen zu lassen, so daß die Druckbeaufschlagung der Turbine (8) entfällt und somit ein Hochtouren und die resultierende Zerstörung von Turbine und Generator verhindert wird.

Zwischen Verdichterausgang und Turbineneingang wird u. U. eine geregelte Beimischung von Luft (22) erforderlich, falls die Temperatur der Verbrennungase für die Turbine zu hoch ist.

Bei Verlassen der Brennkammer (5) müssen die Brenngase durch eine geeignete Vorrichtung, z. B. einen Zyklonfilter, von abrasiven Partikeln befreit werden, damit diese in der Turbine keinen Schaden anrichten können. Diese Funktion kann auch durch eine entsprechend gestaltete Brennkammer erfüllt werden.

Dieses System ist besonders für Kleinanlagen interessant, z. B. Heizungsanlagen für Häuser, Bauernhöfe, Kleinbetriebe usw., wo der billig erzeugte Strom in der eigenen E-Anlage verbraucht und überschüssige Leistung in das öffentliche Netz verkauft werden kann und gleichzeitig Heizwärme entsteht.

Da Turbinen von solch kleinen Abmessungen nicht als Serienprodukt erhältlich sind und Sonderanfertigungen teuer wären, können die für diese kleinen Anlagen passenden Turbinen aus Teilen handelsüblicher Turbolader für kleine Dieselmotoren angefertigt werden. Es gibt derartige Aggregate z. B. als Generator für die Bordspannungsversorgung von Flugzeugen in verschiedenen Größen. Für einen großtechnischen Einsatz dieses Verfahrens wären mehrere Heizkessel erforderlich, die abwechselnd betrieben werden.

Der Betrieb mit nur einem Heizkessel ist diskontinuierlich, da ein Öffnen und Nachfüllen nur drucklos, also bei stillstehender Turbine möglich ist.

Variante 4 Gasturbine als Brenner für Heizkessel

hierzu gehört Zeichnung 5.

Herkömmliche Brenner für Heizkessel können den Brennstoff nur verbrennen. Verwendet man eine Gasturbine anstelle des Brenners, kann man zusätzlich zum Heizen auch noch einen Antrieb realisieren, z. B. um einen Generator anzutreiben. Auf diese Weise würde der Betreiber der Heizungsanlage billigen Strom für seinen eigenen Bedarf erzeugen bzw. überschüssige Leistung an seinen Stromversorger verkaufen können.

Ein Heizkessel oder Wärmetauscher (20) wird anstelle eines Brenners mit einer Gasturbine (10) bestückt.

So wird zusätzlich zum Heizen auch noch Antriebsenergie, z. B. für einen Generator, freigesetzt.

Der Kompressor (9) saugt Frischluft an, verdichtet sie und drückt sie durch den Wärmetauscher (11), wo sie vorgewärmt wird.

Der Wärmetauscher (11) erhöht den Wirkungsgrad der Turbine, auf Kosten der Abgastemperatur. Er kann kleiner dimensioniert werden oder ganz entfallen, um heißere Abgase zu erhalten.

Nachdem die Ladeluft den Wärmetauscher verlassen hat, gelangt sie in die Brennkammer (6), die intern oder extern sein kann. Hier wird ein Brennstoff verbrannt, wodurch die Ladeluft erhitzt wird und sich ausdehnt.

Das jetzt größere Volumen durchströmt die Turbine (8) und verrichtet hier mehr mechanische Arbeit als gleichzeitig für den Antrieb des Kompressors gebraucht wird. Die überschüssige mechanische Leistung wird für Antriebszwecke, z. B. einen Generator, genutzt.

Die Abgase, die die Turbine (8) verlassen, werden dem Wärmetauscher (11) zugeführt, wo sie einen Teil ihres Wärmeinhaltes an die Ladeluft abgeben, wie weiter oben beschrieben.

Nachdem die Abgase diesen Wärmetauscher (11) verlassen haben, gelangen sie in den Heizkessel oder Wärmetauscher (20), um den restlichen Wärmeinhalt möglichst vollständig auszunutzen, um z. B. Heizungswasser, Brauchwasser o. a, zu erwärmen oder z. B. Dampf zu erzeugen. Es sind auch Kombinationen möglich.

Diese Technologie ist überall da interessant, wo mit Brennstoffen geheizt wird und gleichzeitig Strom benötigt wird, um einen Betriebsablauf zu versorgen bzw. im Netz-Parallelbetrieb der Strombezug aus dem Netz durch billigeren Strom aus eigener Erzeugung reduziert werden soll.

Diese Anlagen wären sowohl als Kleinanlagen, z. B. für Einzelhäuser, bis hin zu Großanlagen wirtschaftlich realisierbar.

Da Turbinen von sehr kleinen Abmessungen, wie sie für Kleinanlagen gebraucht werden, nicht als Serienprodukt erhältlich sind und Sonderanfertigungen teuer wären, können die für diese kleinen Anlagen passenden Turbinen aus Teilen handelsüblicher Turbolader für kleine Dieselmotoren angefertigt werden. Es gibt derartige Aggregate z. B. als Generator für die Bordspannungsversorgung von Flugzeugen in verschiedenen Größen.

Claims (4)

1. Gasturbinenanlage für Biomasse mit externem Gasentwickler, gekennzeichnet dadurch, daß eine Gasturbine mit Schwelgasen aus Biomasse (Holz, Stroh und andere brennbare, nachwachsende Stoffe) betrieben wird und die mechanische Energie der Turbine für Antriebszwecke, z. B. einen Generator, genutzt wird.
Der die Schwelgase erzeugende Gasentwickler kann drucklos, unter Vakuum oder unter Druck stehend, zum Beispiel aus dem Ladekreis, betrieben sein.
Nachfolgend werden die heißen Abgase der Turbine zur Beheizung eines Dampferzeugers genutzt, um eine Dampfturbine zu betreiben, die wiederum mechanische Energie abgibt, um z. B. einen Generator anzutreiben.

2. Gasturbinenanlage für Biomasse mit externem Gasentwickler, vereinfachte Anlage, gekennzeichnet dadurch, daß eine Gasturbine mit Schwelgasen aus Biomasse (Holz, Stroh und andere brennbare, nachwachsende Stoffe) betrieben wird und die mechanische Energie der Turbine für Antriebszwecke, z. B. einen Generator, genutzt wird.
Der die Schwelgase erzeugende Gasentwickler kann drucklos, unter Vakuum oder unter Druck stehend, zum Beispiel aus dem Ladekreis, betrieben sein.
Die heißen Abgase der Turbine können genutzt werden, z. B. um in einem Wärmetauscher Wasser für Heizzwecke, als Brauchwasser o. a. zu erhitzen oder Dampf zu erzeugen.

3. Gasturbinenanlage für Biomasse, Verbrennung in externem Heizkessel im Ladekreis der Turbine, gekennzeichnet dadurch, daß die Gasturbine durch Verbrennung von Biomasse (Holz, Stroh und andere brennbare, nachwachsende Stoffe) in externem, druckdichtem Heizkessel im Ladekreis der Turbine betrieben und die mechanische Energie der Turbine für Antriebszwecke, z. B. einen Generator, genutzt wird.
Die heißen Abgase der Turbine können als Nutzwärme verwertet werden, z. B. um Wasser für Heizzwecke, als Brauchwasser o. a. zu erhitzen oder Dampf zu erzeugen.

4. Gasturbine als Brenner für Heizkessel, gekennzeichnet dadurch, daß ein gewöhnlicher Heizkessel für Öl, Gas oder Festbrennstoffe oder ein anderer Wärmetauscher anstelle des Brenners mit den heißen Abgasen einer Gasturbine beheizt und die mechanische Energie der Gasturbine für Antriebszwecke, z. B. einen Generator, genutzt wird.