DE102004038435A1

DE102004038435A1 - Stromerzeugungs-Zyklus mit einer Brennstoffzelle und einem GuD-Kraftwerk

Info

Publication number: DE102004038435A1
Application number: DE200410038435
Authority: DE
Inventors: Guenter Mayer
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2004-08-07
Filing date: 2004-08-07
Publication date: 2006-02-23

Abstract

In einem Stromerzeugungs-Zyklus zwischen einer Brennstoffzelle und einem GuD-Kraftwerk wird die im Brenngas gespeicherte chemische Energie zu einem wesentlichen Teil in einer Brennstoffzelle in elektrische Energie umgewandelt und damit ein Gleichstrommotor angetrieben. Dieser ist auf einem Antriebsstrang zusammen mit einem Generator und einer Gas- und einer Dampfturbine verkoppelt. Die Gasturbine wird mit dem Abgas aus der Anoden-Kammer der Brennstoffzelle gespeist, in welchem noch wesentliche Teile an Brenngas enthalten sind. Diese werden in der Gasturbine nach einer Dampfdruck-Kompression verbrannt und im Turbinenteil in kinetische Energie umgewandelt. Mit der Abwärme aus der Gasturbine wird Dampf in einem Dampferzeuger erzeugt und mit der thermischen Energie aus der Kathoden-Kammer der Brennstoffzelle der erzeugte Dampf in einem Wärmetauscher soweit nacherhitzt, dass hiermit eine Dampfturbine angetrieben werden kann. Das im Abbgas der Gasturbine enthaltene Kohlendioxid wird am Ende des Prozesses gewonnen, indem der Dampfanteil in einem Kondensator zu Kondensat niedergeschlagen wird, wodurch sich der Entspannungsdruck für die Gasturbine erniedrigt und an Wirkungsgrad zunimmt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Umwandlung chemischer Energie in elektrische Energie mit einer Hochtemperatur-Brennstoffzelle und einem nachgeschalteten Gas- und Dampfkraftwerk (GuD-Kraftwerk), in welchem der Brenngasschlupf der Brennstoffzelle sowie der den Brenngasschlupf begleitenden Prozessdampf der Brennstoffzelle in einer Gasturbine in kinetische Energie umgewandelt wird, wobei eine Dampfkompression in der Gasturbine sowie eine Niederschlagung des Abdampfes in einem Kondensator den Wirkungsgrad derselben erhöht. Mit dem die Gasturbine verlassenden Abgasstrom wird ein Dampfkreislauf mit thermischer Energie gespeist, welcher zusätzlich thermische Energie aus dem Kühlkreislauf der Brennstoffzelle zur Nacherhitzung des Dampfes aufnimmt, wodurch sämtliche thermische Energie der Brennstoffzelle für die Verstromung verwertet wird.
Gas- und Dampfturbinen sowie Brennstoffzellen sind bekannte Vorrichtungen zur Verwendung bei der Erzeugung elektrischer Energie.
In der DE 196 42 939 A1 wird zwecks Wirkungsgradverbesserung ein Verfahren offenbart, nach welchem die Brennstoffzelle in einen kombinierten Brennstoffzellen- und Gasturbinenzyklus integriert und der Sauerstoff in Stufen abgereichert wird. Hierzu wird Luft in einer Gasturbine verdichtet und einer SOFC-Kathoden-Kammer zugeführt, in welcher eine erste Teilmenge von Sauerstoff aus der Luft abgereichert wird. Gleichzeitig wird der SOFC-Anoden-Kammer verdichtetes und teils schon verbranntes Brenngas zugeführt. Der Brenngasschlupf aus der SOFC-Anoden-Kammer wird zusammen mit der von Sauerstoff abgereicherten Luft aus der SOFC-Kathoden-Kammer einer Hochdruckbrennkammer zugeführt. Mit dem Abgas aus der Hochdruckbrennkammer und der verbliebenen Teilmenge von Sauerstoff nebst Stickstoff wird eine Abspannturbine angetrieben. Letzte Reste von Brenngas (H₂ und CO) werden zusammen mit Teilen von Luftsauerstoff in einer Niederdruckbrennkammer endgültig zu Wasserdampf und Kohlendioxid verbrannt. Mit der Restmenge an Sauerstoff und dem Kohlendioxid aus den vorhergehenden Verbrennungen wird eine MCFC-Kathoden-Kammer mit Kohlendioxid und dem noch verbliebenen Sauerstoff gespeist, wobei der Gasstrom stark mit Wasserdampf und Stickstoff verdünnt ist. In umgekehrter Prozess-Richtung wird die MCFC-Anoden-Kammer mit Brenngas gespeist. Mit dem Brenngasüberschuss aus der MCFC-Anoden-Kammer werden zunächst die SOFC-Anoden-Kammer und darauf die Hochdruckbrennkammer gespeist, bevor das restliche Brenngas in der Niederdruckbrennkammer verbrannt wird.
Die in der Offenbahrung dargelegte Erfindung hat jedoch den Nachteil, dass die beiden Brennstoffzellen über keine eigenen Kühlkreisläufe verfügen und somit wesentliche Teile an thermischer Energie aus denselben nicht genutzt werden können. Diese laufen daher mangels Kühlkreisläufe Gefahr, zu überhitzen. Zumindest haben sie kathodenseitig bei der Temperaturbelastung ein Problem, da der Eingangsstrom deutlich niedriger als der Ausgangsstrom sein muss, um mit dem Temperaturgefälle die anfallende thermische Energie aus der Brennstoffzelle abzuführen.
Des Weiteren wird in der DE 697 16 259 T2 eine Nasskompression in einer Gasturbine zur Leistungssteigerung vorgeschlagen. Das Eindüsen von Wasser in den Verdichteransaugkanal einer Gasturbine bewirkt eine Steigerung der Leistung durch drei Mechanismen. a) Kühlung der Eintrittsluft durch Verdunsten von Wasser. Dieser Effekt nimmt mit zunehmender Sättigung der Außenluft ab: Kühlere Luft kann mit geringerem Arbeitsaufwand komprimiert werden, so dass der Wirkungsgrad der Maschine steigt. b) Kühlung während des Verdichtens: Im Verdichter nimmt die Temperatur zu, so dass bereits in den ersten Stufen Wasser schnell verdampft wird und Luft sich abkühlt. Dies entlastet den Verdichter und der Wirkungsgradgewinn wird vom Turbinenteil in höhere Leistung umgesetzt. Da der Verdichter etwa die Hälfte der Energie verbraucht, bewirkt allein dieser Mechanismus schon einen großen Teil der Leistungssteigerung. c) Erhöhter Massenstrom durch die Gasturbine. Dazu trägt die eingebrachte Wassermenge bei, aber auch eine erhöhte Feuerungsleistung. Letztere ist durch die Zwischenkühlung möglich und hebt die Turbinenaustrittstemperatur wieder auf den Auslegungswert an. Hierzu ist die Gasturbine mit einem Wasseranschluss auszurüsten.
Die vorliegende Erfindung hat sich daher die Aufgabe gestellt, einen Stromerzeugungs-Zyklus mit einer Brennstoffzelle und einem GuD-Kraftwerk zu schaffen, in welchem der Brenngasschlupf der Brennstoffzelle durch Verbrennung in einen Gasturbinen-Zyklus und die thermische Energie der Brennstoffzelle sowie die Abwärme aus dem Gasturbinen-Zyklus in einem Dampfturbinen-Zyklus in kinetische Energie umgewandelt wird.
Die Lösung dieser Aufgabe gelingt erfindungsgemäß durch eine 2 oder 3-Kammer MCFC- bzw. einer 2-Kammer SOFC-Hochtemperatur-Brennstoffzelle in Verbindung mit einer Hochtemperatur-Membrane oder einem Sauerstoff-Ionenleiter, einer Gas- und einer Dampfturbine, einem Gleichstrommotor, einem Generator und einem Synthesegas-Erzeuger.
Im Einzelnen geschieht der Ablauf wie folgt: Erzeugung eines Brenngases für die Brennstoffzelle, Verstromung eines Teils des Brenngases in der Brennstoffzelle, Komprimierung und Verbrennung des Abgasstromes aus der Anoden-Kammer der Brennstoffzelle in der Brennkammer einer Gasturbine, Umwandlung des komprimierten Abgasstromes der Brennkammer im Turbinenteil der Gasturbine in kinetische Energie, Erzeugung von Dampf in einem Sekundärkreislauf mit der Abwärme aus der Gasturbine und anschließende Niederschlagung des Abgasstroms der Gasturbine in einem Kondensator, Nacherhitzung des erzeugten Dampfes im Sekundärkreislauf der Gasturbine durch einen Wärmetauscher, welcher die Abwärme der Brennstoffzelle auf den vorerhitzen Dampf überträgt, Zuführung des Dampfes zu einer Dampfturbine, welche die im Dampf gespeicherte Energie in kinetische Energie umwandelt sowie die anschließende Niederschlagung des Abdampfes in einem Kondensator.
Als Synthesegas-Erzeuger kommen für feste Brennstoffe wie Kohle, Biomasse sowie Industrie- und Haushaltsabfälle vorzugsweise Kohlevergaser und für flüssige und gasförmige Brennstoffe wie Heizöl, Erdgas, Gruben- und Deponiegas vorzugsweise Dampf- und Autotherm-Reformer zum Einsatz.
In der Anoden-Kammer der Brennstoffzelle wird das im Synthesegas-Erzeuger erzeugte Brenngas H₂ und/oder CO aus Erdgas, Kohle oder Biomasse verstromt und mit der elektrischen Energie ein Gleichstrommotor angetrieben. Dieser befindet sich auf dem gleichen Antriebsstrang wie die Gasturbine, die Dampfturbine und der Generator. Der die Anoden-Kammer verlassende Brenngasschlupf wird zusammen mit denen aus der Anoden-Kammer kommenden Verbrennungsprodukten Wasserdampf und Kohlendioxid dem Verdichter der Gasturbine zugeführt, in welchen thermische Energie gespeichert ist. Durch die Abführung der thermischen Energie aus der Anoden-Kammer wird ein Anstieg der Kammer-Temperatur vermieden. Dies geschieht am besten mit Wasserdampf, welcher sich bei der Verbrennung von Wasserstoff mit Sauerstoff bildet. Wird die Anoden-Kammer jedoch in Abwesenheit von Wasserstoff mit reinem Kohlenmonoxid gespeist, so ist dem Brenngas vor Eintritt in die Anoden-Kammer Wasserdampf beizumischen, welcher dann innerhalb der Anoden-Kammer die Abwärme in sich aufnimmt und speichert. Es ist aber auch möglich, die Wärme aus der Anoden-Kammer der Brennstoffzelle einem Wärmetauscher zuzuführen, welcher den Anoden-Ein- und Ausgang kurzschließt und über diesen Kurzschluss ein Kreislaufgas aus Brenngasschlupf und Verbrennungsprodukten bestehend, geführt wird und mit der übertragenen Wärme-Energie ein Dampfkreislauf geheizt wird.
Parallel hierzu wird die Kathoden-Kammer der Brennstoffzelle mit Luft gespeist. Zum Zwecke der Kühlung der Brennstoffzelle ist die Kathoden-Kammer mit einem Wärmetauscher verbunden, durch welchen der Luftstrom im Kreis mehrfach durch die Kathoden-Kammer geführt und die Wärme bei kleinstmöglichem Temperaturgefälle abgeführt wird. Die Abluft aus der Kathoden-Kammer wird einer Hochtemperatur-Membrane oder einem Sauerstoff-Ionenleiter als Membrane zugeführt, in welcher der Abluft der Restsauerstoff entzogen und dem Verdichter der Gasturbine zugeführt wird.
Eine Teilmenge des verdichteten Sauerstoffs wird der Brennkammer der Gasturbine und ein weiterer Teil einem Synthesegaserzeuger zugeführt, sofern es sich bei diesem um einen Kohlevergaser handelt. In der Brennkammer der Gasturbine wird daraufhin der Brenngasschlupf mit dem Sauerstoff verbrannt. Der heiße Abgasstrom wird dem Turbinenteil der Gasturbine zugeführt und in kinetische Arbeit umgewandelt. Mit der nicht in kinetische Arbeit umgewandelten Energie aus der Gasturbine wird durch Übertragung mittels Wärmetauscher auf einen Dampfkreislauf ein Dampferzeuger mit thermischer Energie unterhalten, welcher Dampf für eine Dampfturbine erzeugt. Dieser Dampf wird durch die abgeführte Energie aus der Kathoden-Kammer der Brennstoffzelle mittels eines Wärmetauschers nacherhitzt, bevor der nacherhitzte Dampf die Dampfturbine erreicht.
Für den der Anoden-Kammer nachgeschalteten Verdichter bedeutet der Dampfanteil im Anodenabgas auf den ersten Blick einen erhöhten Energieaufwand. Da der Verdichtungsprozess jedoch einerseits adiabatisch abläuft und andererseits im zugeführten Dampf ein erhebliches Maß an Energie aus der Anoden-Kammer kommend gespeichert ist, führt die Bilanz zwischen Verdichterleistung einerseits und Turbinenleistung andererseits zu einem Vorteil zugunsten des Turbinenteils.
Die Probleme, welche bei der Nasskompression auftreten, insbesondere die Fahrweise der Turbine sowie die Einleitung von Wasser in den Luftansaugkanal, wird durch die Umgehung der Verdampfung des flüssigen Wassers zwischen den einzelnen Verdichterstufen umgangen, indem dem Verdichter direkt Wasserdampf zur Kompression zugeführt wird.
Die Erhöhung der Turbinenleistung der Gasturbine gelingt erfindungsgemäß, indem a) der Brenngasverdichter mit Wasserdampf nebst Brenngasschlupf aus der Brennstoffzelle gespeist wird. Mit dem Wasserdampf im Brenngas wird der Temperaturanstieg durch die Verbrennung in der Brennkammer der Gasturbine gebremst, indem der Dampf thermische Energie aus der Verbrennung speichert. Dadurch kann bei gleicher Abgastemperatur mehr Energie umgesetzt werden, was den Wirkungsgrad des Turbinenteils erhöht. Der Wirkungsgrad wird nochmals gesteigert, indem man den im Abgasstrom enthaltenen Wasserdampf am Ende des Prozesses erfindungsgemäß in einem Kondensator niederschlägt, wodurch der Abgasstrom in den Unterdruck führt. Und b) der Luftverdichter anstelle mit Luft mit Sauerstoff betrieben wird.
Die Bereitstellung von Sauerstoff geschieht beispielsweise durch eine Hochtemepratur-Membrane oder einen Sauerstoff-Ionenleiter als Trennmedium. Beide haben den Vorteil, dass die Ablufttemperatur der Brennstoffzelle für die Trennung nicht extra herabgekühlt werden muss. Durch die vorherige Abtrennung des Ballastes Stickstoff wird der Verdichter für den Sauerstoff um das 5-fache entlastet. Gleichzeitig erfährt das Brenner-Abgas der Gasturbine durch das Fehlen des Stickstoffs der Luft eine höhere Speicherkapazität.
Die Zuführung von reinem Sauerstoff hat zum anderen den Vorteil, dass das restliche Kohlenmonoxid, welches als Brenngasschlupf der Brennkammer der Gasturbine zugeführt wurde, ohne Co-Produkten zu reinem Kohlendioxid verbrannt werden kann, welcher sich einfach aus dem Prozess entfernen lässt. Auf diese Weise lässt sich ein mit Kohlenmonoxid betriebenes Kraftwerk am Ende des Prozesses ohne Wirkungsgradverlust in ein CO₂-abgasfreies Kraftwerk umwandeln, indem der Wasserdampf in einem Kondensator niedergeschlagen wird, während das Kohlendioxid in einem Verdichter verflüssigt und zu Kohlendioxid unterhaltenden Prozessen sowie zwecks Sequestrierung über Pipelines zu Kavernen und Aquiferen transportiert wird.
Anhand der beiliegenden 1 wird die vorliegende Erfindung in der Ausführung eines IGFC-Kraftwerkes mit einer Dreikammer-MCFC-Brennstoffzelle beschrieben. In der 2 wird die MCFC-Brennstoffzelle durch eine SOFC-Brennstoffzelle ersetzt.
Die 1 zeigt das IGFC-Kraftwerk mit einem Kohlevergaser, einer COS-Hydrolyse-Anlage, einer PSA-Anlage mit einer angeschlossenen H₂-Pipeline, einer 3-Kammer MCFC-Brennstoffzelle, einer Gasturbine mit Brenngas- und Sauerstoff-Verdichter nebst Brennkammer, einer Dampfturbine, einem Gleichstrommotor, einem Generator, einer Hochtemperatur-Membrane, einem CO₂-Verdichter mit einer 9angeschlossenen CO₂-Pipeline und einem Abgas-Kamin.
Der Kohlevergaser (3) wird über die Verbindung (1) mit Kohlestaub, über die Verbindung (2) mit Wasser für die Dampferzeugung, über die Verbindung (36) mit Stickstoff für die Inertisierung im Einlassbereich der Kohlestaubzuführung und über die Verbindung (41) mit Sauerstoff für die Vergasung gespeist.
Den Kohlevergaser (3) verlässt über die Verbindung (4) ein aus Kohlenmonoxid und Wasserstoff bestehendes Synthesegas. Dieses gelangt in die COS-Hydrolyse-Anlage (5), in welcher es von Schwefel und weiteren Verunreinigungen befreit wird.
Das gereinigte Synthesegas gelangt daraufhin über die Verbindung (6) in eine PSA-Anlage (7), in welcher das Synthesegas in die Komponenten H₂ und CO zerlegt wird. Über die Verbindung (8) wird der Wasserstoff einer H₂-Pipeline (9) für nicht näher dargelegte H₂-Prozesse abgeführt, während über die Verbindung (10) das Kohlenmonoxid einen Einspeisepunkt (12) speist.
Der Einspeisepunkt (12) wird zusätzlich über die Verbindung (11) mit Dampf als Kühlmedium für die Anoden-Kammer der Brennstoffzelle (14) versorgt, von wo die Brennstoffzelle (14) über die Verbindung (13) mit Brenngas und Kühlmedium gespeist wird.
Der Ausgang der Anoden-Kammer ist über die Verbindung (15) mit dem Eingang der CO₂-Kammer der MCFC-Brennstoffzelle (14) verbunden. Das zu Kohlendioxid umgewandelte Kohlenmonoxid wird zu einem Teil in der CO₂-Kammer abgereichert. Der übrige Teil wird zusammen mit dem Dampf aus der Verbindung (11) dem Eingang des Brenner-Verdichters (17) zugeführt, in welchem er komprimiert und über die Verbindung (18) einem Hochdruck-Brenner (43) in der Gasturbine zugeführt wird.
Über eine zweite Verbindung wird der Hochdruck-Brenner (43) über die Verbindung (42) mit Sauerstoff gespeist. Dieser wird in der Hochtemperatur-Membrane (35) aus der Abluft der Brennstoffzelle (14) gewonnnen und im Verdichter (38) komprimiert. Der komprimierte Sauerstoff wird über die Verbindung (39) in den Einspeisepunkt (40) eingespeist. Von dem Einspeisepunkt (40) wird eine Teilmenge für den Kohlevergaser (3) und dessen Reaktion über die Verbindung (41) abgezweigt.
Die Luftzufuhr für die Brennstoffzelle (14) erfolgt über die Verbindung (19). Die zugeführte Luft wird durch das Gebläse (20) angetrieben und in den Wärmetauschern (22) und (24) wird die Luft auf Betriebswärme erwärmt. Die Endtemperatur in der Leitung (26) wird durch die Zuführung von thermischer Energie über die Verbindung (75) in den Wärmetauscher (24) eingestellt. Die erwärmte Luft speist daraufhin den Einspeisepunkt (26), welcher über die Verbindung (27) die Kathoden-Kammer der Brennstoffzelle (14) mit thermisch abgereicherter Luft aus dem Wärmetauscher (60) speist.
Die in der Kathoden-Kammer zu einem Teil von Sauerstoff abgereicherte Luft verlässt die Kathoden-Kammer über die Verbindung (28), welche den Einspeisepunkt (29) speist. Dieser speist über die Verbindung (34) die Hochtemperatur-Membrane (35) und über die Verbindung (30) den Wärmetauscher (60).
Die in der Luft der Leitung (30) gespeicherte Energie wird auf den Wärmetauscher (60) übertragen, in welchem der Dampf in der Leitung (59) für die Dampfturbine (62) nacherhitzt wird. Die von thermischer Energie abgereicherte Luft verlässt den Wärmetauscher (60) über die Verbindung (31). Angetrieben wird die im Kreislauf geführte Luft durch das Gebläse (32). Der Ausgang des Gebläses (32) ist über die Verbindung (33) mit dem Einspeisepunkt (26) verbunden, über welchen die Luft als Kühlmedium der Kathoden-Kammer erneut zugeführt wird.
Der Ausgang des Hochdruck-Brenners (43) ist über die Verbindung (44) mit dem Einlass der Gasturbine (45) verbunden, in welcher ein Teil der im Abgas gespeicherten Energie in kinetische Energie umgewandelt wird. Die nicht in kinetische Energie wandelbare Energie verlässt die Gasturbine über die Verbindung (46). Diese wird im Dampf-Erzeuger (47) als thermische Energie entwertet und auf einen Sekundärkreislauf (59) übertragen und als solche im Dampf gespeichert. Die verbleibende thermische Energie verlässt den Dampf-Erzeuger (47) über die Verbindung (48) und wärmt die Luft in der Verbindung (21) im Wärmetauscher (22) an.
Der Ausgang des Wärmetauschers (22) ist über die Verbindung (49) mit dem Eingang eines Kondensators verbunden. In diesem wird der im Abgas enthaltene Wasserdampf niedergeschlagen. Das in Gasphase verbleibende Kohlendioxid wird daraufhin a) wieder auf Abzugstemperatur für den Kamin (54) erwärmt bzw. b) unter die kritische Temperatur von Kohlendioxid weiter abgekühlt, sofern dies nicht schon geschehen ist.
Der Ausgang des Kondensators (50) ist über die Verbindung (51) mit einer Weiche (52) verbunden, durch welche das Kohlendioxidgas a) über die Verbindung (53) zum Kamin (54) oder über die Verbindung (55) und (57) zur CO₂-Pipeline (58) geleitet wird, bzw. der Abgasstrom auf beide Verbindungen (53) und (55) aufgeteilt wird.
Mit dem Kompressor (56) wird das Kohlendioxid in der Leitung (55) verflüssigt und über die Verbindung (57) in die CO₂-Pipeline (58) eingespeist.
Der Sekundärkreislauf der Gasturbine, welcher für die Dampfturbine (62) und (64) ausschließlich Dampf-führend ist, besteht aus den Verbindungen (59), (61), (63), (65), (67) und (69). Das aus dem Kondensator (66) kommende Kesselspeisewasser wird durch die Kesselspeisewasserpumpe (68) in den als Wärmetauscher ausgebildeten Dampferzeuger (47) eingespeist, in welchem es verdampft. Im Wärmetauscher (60) wird es schließlich nacherhitzt bevor es in die Mitteldruckturbine (62) und von dort über die Verbindung (63) in die Niederdruckturbine (64) gelangt, in welcher die im Dampf gespeicherte Energie in kinetische Energie umgewandelt wird. Der Abdampf aus der Niederdruckturbine (64) wird daraufhin im Kondensator (66) wieder niedergeschlagen.
Mit der elektrischen Energie aus der Brennstoffzelle (14) wird über die Verbindung (70) ein Gleichstrommotor (71) angetrieben.
Der Verdichter (17) und (38), die Gasturbine (45), die Mitteldruckturbine (62), die Niederdruckturbine (64), der Gleichstrommotor (71) und der Generator (73) sind über den Antriebsstrang (72) miteinander fest verkoppelt. Die aus allen Maschinen resultierende kinetische Energie wird auf den Generator (73) übertragen und verstromt. Mit einer Teilmenge der elektrischen Energie aus dem Generator (73) werden die Gebläse (20) und (32) gespeist, während die verbleibende Energie über die Verbindung (74) in das Stromnetz gelangt.
Die 2 zeigt das IGFC-Kraftwerk mit einem Kohlevergaser, einer COS-Hydrolyse-Anlage, einer PSA-Gastrenn-Anlage mit angeschlossener H₂-Pipe line, einer 2-Kammer SOFC- Brennstoffzelle, einer Gasturbine mit Brenngas- und Sauerstoff-Verdichter nebst Brennkammer, einer Hochtemperatur-Membrane, einer Dampfturbine, einem Gleichstrommotor, einem Generator, einem CO₂-Verdichter mit angeschlossener CO₂-Pipeline und einem Abgas-Kamin.
Der Kohlevergaser (103) wird über die Verbindung (101) mit Kohlestaub, über die Verbindung (102) mit Wasser für die Dampferzeugung, über die Verbindung (135) mit Stickstoff für die Inertisierung im Einlassbereich der Kohlestaubzuführung und über die Verbindung (140) mit Sauerstoff für die Vergasung gespeist.
Den Kohlevergaser (103) verlässt über die Verbindung (104) ein aus Kohlenmonoxid und Wasserstoff bestehendes Synthesegas. Dieses gelangt in die COS-Hydrolyse-Anlage (105), in welcher es von Schwefel und weiteren Verunreinigungen befreit wird.
Das gereinigte Synthesegas gelangt daraufhin über die Verbindung (106) in die PSA-Anlage (107), in welcher das Synthesegas in die Komponenten H₂ und CO zerlegt wird. Über die Verbindung (108) wird der Wasserstoff der H₂-Pipeline (109) für nicht näher dargelegte H₂-Prozesse abgeführt, während über die Verbindung (110) das Kohlenmonoxid einen Einspeisepunkt (112) speist.
Der Einspeisepunkt wird zusätzlich über die Verbindung (111) mit Dampf als Kühlmedium für die Anoden-Kammer der SOFC-Brennstoffzelle (114) versorgt, von wo die Brennstoffzelle (114) über die Verbindung (113) mit Brenngas und Kühlmedium gespeist wird.
Der Ausgang der Anoden-Kammer ist über die Verbindung (115) mit dem Eingang des Brenner-Verdichters (116) verbunden, in welchem der Brenngasschlupf zusammen mit dem Verbrennungsprodukt Kohlendioxid und dem Dampf komprimiert und über die Verbindung (117) einem Hochdruck-Brenner (142) in der Gasturbine zugeführt wird.
Über eine zweite Verbindung wird der Hochdruck-Brenner (142) über die Verbindung (141) mit Sauerstoff gespeist. Dieser wird in der Hochtemperatur-Membrane (134) aus der Abluft der Brennstoffzelle (114) gewonnnen und im Verdichter (137) komprimiert. Der komprimierte Sauerstoff wird über die Verbindung (138) in den Einspeisepunkt (139) eingespeist. Von dem Einspeisepunkt (139) wird eine Teilmenge für den Kohlevergaser (103) und dessen Reaktion über die Verbindung (140) abgezweigt.
Die Luftzufuhr für die Kathoden-Kammer der Brennstoffzelle (114) und die Hochtemperatur-Membrane (35) erfolgt über die Verbindung (118). Die zugeführte Luft wird durch das Gebläse (119) angetrieben und in den Wärmetauschern (121) und (123) auf Betriebswärme vorgewärmt. Die Endtemperatur in der Leitung (124) wird durch die Zuführung von thermischer Energie über die Verbindung (174) in dem Wärmetauscher (123) eingestellt. Die erwärmte Luft speist daraufhin den Einspeisepunkt (125), welcher über die Verbindung (126) die Kathoden-Kammer der Brennstoffzelle (114) speist.
Die in der Kathoden-Kammer zu einem Teil von Sauerstoff abgereicherte Luft verlässt die Kathoden-Kammer über die Verbindung (127), welche den Einspeisepunkt (128) speist. Dieser speist über die Verbindung (133) die Hochtemperatur-Membrane (134) und über die Verbindung (129) den Wärmetauscher (159).
Die in der Luft der Verbindung (129) gespeicherte Energie wird auf den Wärmetauscher (159) übertragen, in welchem der Dampf in der Verbindung (158) für die Dampfturbine (161) nacherhitzt wird. Die von thermischer Energie abgereicherte Luft verlässt den Wärmetauscher (159) über die Verbindung (130). Angetrieben wird die im Kreislauf geführte Luft durch das Gebläse (131). Der Ausgang des Gebläses (131) ist über die Verbindung (132) mit dem Einspeisepunkt (125) verbunden, über welchen die Luft als Kühlmedium der Kathoden-Kammer erneut zugeführt wird.
Der Ausgang des Hochdruck-Brenners (142) ist über die Verbindung (143) mit dem Einlass der Gasturbine (144) verbunden, in welcher ein Teil der im Abgas gespeicherten Energie in kinetische Energie umgewandelt wird. Die nicht in kinetische Energie gewandelte Energie verlässt die Gasturbine über die Verbindung (145). Diese wird im Dampf-Erzeuger (146) als thermische Energie entwertet und durch Übertragung auf einen Sekundärkreislauf (158) als solche im Dampf gespeichert. Die verbleibende thermische Energie verlässt den Dampf-Erzeuger (146) über die Verbindung (147) und wärmt die Luft in der Verbindung (120) im Wärmetauscher (121) an.
Der Ausgang des Wärmetauschers (121) ist über die Verbindung (148) mit dem Eingang eines Kondensators (149) verbunden. In diesem wird der im Abgas enthaltene Wasserdampf niedergeschlagen. Das in Gasphase verbleibende Kohlendioxid wird daraufhin a) wieder auf Abzugstemperatur für den Kamin (153) erwärmt bzw. b) unter die kritische Temperatur von Kohlendioxid weiter abgekühlt, sofern dies nicht schon geschehen ist.
Der Ausgang des Kondensators (149) ist über die Verbindung (150) mit einer Weiche (151) verbunden, durch welche das Kohlendioxidgas a) über die Verbindung (152) zum Kamin (153) oder über die Verbindung (154) und (156) zur CO₂-Pipeline (157) geleitet wird, bzw. der Abgasstrom auf beide Verbindungen (152) und (154) aufgeteilt wird.
Mit dem Kompressor (155) wird das Kohlendioxid verflüssigt und über die Verbindung (156) in die CO₂-Pipeline (157) eingespeist.
Der Sekundärkreislauf der Gasturbine, welcher für die Dampfturbine (161) und (163) ausschließlich Dampf-führend ist, besteht aus den Verbindungen (158), (160), (162), (164), (166) und (168). Das aus dem Kondensator (165) kommende Kesselspeisewasser wird durch die Kesselspeisewasserpumpe (167) in den Dampferzeuger (146) eingespeist, in welchem es verdampft. Im Wärmetauscher (159) wird es schließlich nacherhitzt bevor es in die Mitteldruckturbine (161) und von dort über die Verbindung (162) in die Niederdruckturbine (163) gelangt. Der Abdampf aus der Niederdruckturbine (163) wird daraufhin im Kondensator (165) niedergeschlagen.
Mit der elektrischen Energie aus der Brennstoffzelle (114) wird über die Verbindung (169) ein Gleichstrommotor (170) angetrieben.
Der Verdichter (116) und (137), die Gasturbine (144), die Mitteldruckturbine (161), die Niederdruckturbine (163), der Gleichstrommotor (170) und der Generator (172) sind über den Antriebsstrang (171) miteinander fest verkoppelt. Die aus allen Maschinen resultierende kinetische Energie wird auf den Generator (172) übertragen und verstromt. Mit einer Teilmenge der elektrischen Energie aus dem Generator (172) werden die Gebläse (119) und (131) gespeist, während die verbleibende Energie über die Verbindung (173) in das Stromnetz gelangt.
Bezugszeichenliste Fig. 1
Fortsetzung Bezugszeichenliste Fig. 1
Bezugszeichenliste Fig. 2
Fortsetzung Bezugszeichenliste Fig. 2

Claims

Stromerzeugungs-Prozess mit Synthesegas-Erzeugern (3 und 103), COS-Hydrolyse-Anlagen (5 und 105) für die Reinigung des Synthesegases aus den Synthesegas-Erzeugern (3 und 103), Gastrenn-Anlagen (7 und 107) für die Trennung des Synthesegases in die Komponenten Wasserstoff (H₂) und Kohlenmonoxid (CO), MCFC-Brennstoffzelle (14) und SOFC-Brennstoffzelle (114) für die Umwandlung der im Synthesegas gespeicherten chemischen Energie in Strom und Wärme, Brenngas-Verdichter (17 und 116) zur Komprimierung des Anoden-Abgases, Hochdruck-Brenner (43 und 142) zur Verbrennung der Synthesegas-Reste aus den Anoden-Kammern der Brennstoffzellen, Gebläse (20 und 119) zur Zuführung von Sauerstoff für den Brennstoffzellen-Prozess, Gebläse (32, und 131) zum Abtransport von thermischer Energie aus den Kathoden-Kammern der Brennstoffzellen (14 und 114), Wärmetauscher (20, 24, 47, 60, 121, 123, 146 und 159), Hochtemperatur-Membranen (35 und 134) zur Gewinnung von Sauerstoff aus der Kathoden-Abluft der Brennstoffzellen für die Verbrennung der Synthesegas-Reste in den Hochdruck-Brennern (43 und 142), Sauerstoff-Verdichter (38 und 137) für die Verdichtung des Sauerstoffs aus den Hochtemperatur-Membranen (38 und 137) für den Verbrennungs-Prozess in den Hochdruck-Brennern (43 und 142), Gasturbine (45 und 144) zur Gewinnung von kinetischer Energie aus den Abgasströmen der Hochdruck-Brenner (43 und 142), Entwertung der Abgaswärme aus den Gasturbinen (45 und 144) in den Wärmetauschern (47 und 146) und Übertragung der thermischen Energie von denselben auf einen thermodynamischen Prozess, bestehend aus Mitteldruckturbine (62 und 161), Niederdruckturbine (64 und 163), Kondensator (66 und 165), Kesselspeisewasserpumpe (68 und 167), welcher durch die Übertragung der thermischen Energie aus den Wärmetauschern (60 und 159) nacherhitzt wird, Kamin (54 und 153) zur Abführung des Kohlendioxids aus dem Gasturbinen-Prozess in die Atmosphäre, CO₂-Pipeline (58 und 157) zur Abführ ung des verflüssigten Kohlendioxids aus dem Gasturbinen-Prozess zu einem Kohlendioxid unterhaltenden Prozess und zur Sequestrierung in einem CO₂-Speicher sowie einem Kohleflöz, Kondensator (50 und 149) zur Niederschlagung des Wasserdampfes aus dem Gasturbinen-Abgas und zur Absenkung des Entspannungsdrucks der Gasturbinen (45 und 144) sowie der weiteren Herabkühlung des verbleibenden Kohlendioxids auf einen Wert, welcher unter der seiner kritischen Temperatur liegt, Weiche (52 und 151) zur Kanalisierung der Abgasströme (51 und 150) auf die Kamine und die CO₂-Pipelines, CO₂-Verdichter (56 und 155) für die Kompression des gasförmigen Kohlendioxids im Abgasstrom (55 und 154) bis dass es verflüssigt, H₂-Pipeline (9 und 109) zum Abtransport von Wasserstoff aus den Gastrenn-Anlagen (7 und 107) zu Wasserstoff unterhaltenden Prozessen, gekennzeichnet durch folgende Merkmale: a) es sich bei dem Synthesegas-Prozess (3 und 103) um einen Kohle-vergasungs-Prozess sowie um einen Dampf- und Autotherm-Prozess handelt und der Synthesegas-Prozesse mit festen, flüssigen und gasförmigen fossilen Brennstoffen, mit synthetisch hergestellten Kohlenwasserstoffen und Kohlenstoffverbindungen, mit Biomasse, Methan aus Kohleflözen und Deponiegas gespeist wird, b) der COS-Hydrolyse-Prozess (5 und 105) mit einer Claus-Anlage durchgeführt wird, c) der Gastrenn-Prozess (7 und 107) mit einer Kryogen-Anlage, einer Membran-Anlage und einer PSA-Anlage durchgeführt wird, welche das Synthesegas in die Komponenten H₂ und CO trennt, d) das Kohlenmonoxid (CO) in Abwesenheit von Wasserstoff (H₂) in der Brennstoffzelle (14 und 114) in elektrische und thermische Energie umgewandelt wird, e) nach dem Austritt aus den Gastrenn-Anlagen (7 und 107) das zuvor gekühlte Kohlenmonoxid mit Hilfe von eingespeistem Dampf in die Einspeisepunkte (12 und 112) auf Betriebstemperatur gebracht wird und der Dampf gleichzeitig der Anoden-Kammer der Brennstoffzelle (14 und 114) als Kühlmittel dient, mit welchem die Wärme aus denselben abgeführt wird, f) es sich bei der Brennstoffzelle um eine MCFC- und um eine SOFC-Brennstoffzelle handelt, g) es sich bei der MCFC-Brennstoffzelle um eine 2-Kammer und eine 3-Kammer-Brennstoffzelle handelt, h) bei der 3-Kammer MCFC-Brennstoffzelle der Ausgang der Anoden-Kammer über die Verbindung (15) mit dem Eingang der CO₂-Kammer verbunden ist, in welcher Kohlendioxid aus dem Stoffstrom absorbiert und als gelöstes Karbonat von dem Schmelzelektrolyten aufgenommen wird, durch welchen der Karbonat-Ionenstrom hin zur Anoden-Kammer angetrieben wird, i) der Ausgang der CO₂-Kammer von der MCFC-Brennstoffzelle (14) über die Verbindung (16) mit dem Eingang des Brenngas-Verdichters (17) verbunden ist und in demselben der Abgasstrom für den Hochdruck-Brenner (43) verdichtet wird, welcher über die Verbindung (18) mit dem Ausgang des Brenngas-Verdichters (17) verbunden ist, j) der Ausgang der Anoden-Kammer von der SOFC-Brennstofzelle (114) über die Verbindung (115) mit dem Eingang des Brenngas-Verdichters (116) verbunden ist und in demselben der Abgasstrom für den Hochdruck-Brenner (142) verdichtet wird, welcher über die Verbindung (117) mit dem Ausgang des Brenngas-Verdichters (116) verbunden ist, k) die Kathoden-Kammern der Brennstoffzellen (14 und 114) über die Verbindungen (19, 21, 23, 25, 27, 118, 120, 122, 124 und 126) mit Luftsauerstoff gespeist werden, l) die Brennstoffzellen (14 und 114) gekühlt werden, indem durch die Kreislaufführung der Luft über die Verbindungen (27, 28, 30, 31, 33,126, 127, 129, 130 und 132) die thermische Energie aus den Kathoden-Kammern abgeführt wird, m) die thermische Energie aus den Kathoden-Kammern der Brennstoff-zellen (14 und 114) über die Wärmetauscher (60 und 159) auf die Dampf führenden Verbindungen (59 und 158) übertragen werden, n) eine Teilmenge des Kreislaufgases aus den Verbindungen (28 und 127) ausgekoppelt und über die Verbindungen (34 und 133) den Hochtemperatur-Membranen (35 und 134) zugeführt werden, in welchen der Sauerstoff entzogen und über die Verbindungen (37 und 136) den Sauerstoff-Verdichern (38 und 137) zugeführt werden, in welchen der Sauerstoff verdichtet wird, bevor er über die Verbindungen (39, 42, 138 und 141) den Hochdruck-Brennern (43 und 142) zugeführt wird, o) eine Teilmenge des verdichteten Sauerstoffs aus den Verbindungen (39 und 138) für den Kohlevergaser (3 und 103) an den Einspeisepunkten (40 und 139) ausgekoppelt und über die Verbindungen (41 und 140) dem Kohlevergaser als Oxidationsmittel zugeführt wird, p) der Stickstoff für die Inertisierung des Eintragbereiches für den Kohlenstaub in den Kohlevergasern (3 und 103) durch die Hochtemperatur-Membranen (35 und 134) bereitgestellt wird, indem eine Teilmenge der von Sauerstoff abgereicherten Abluft über die Verbindungen (36 und 135) den Kohlevergasern zufließt, q) der Gastrenn-Prozess der Hochtemperatur-Membranen (35 und 134) durch einen Sauerstoff-Ionen-Prozess erfolgt, r) mit dem Abgas aus den Hochdruck-Brennern (43 und 142) über die Verbindungen (44 und 143) die Gasturbinen (45 und 144) angetrieben und mit dem Abgas aus denselben die Dampferzeuger (47 und 146) mit thermischer Energie gespeist werden, durch welche das durch die Kesselspeisewasserpumpen (68 und 167) und die Ver-bindungen (67, 69, 166 und 168) geförderte Kesselspeisewasser aus den Kondensatoren (66 und 165) verdampft wird, s) das in den Dampferzeugern (47 und 146) verdampfte Kesselspeise-wasser wird über die Verbindungen (60 und 159) den Wärme-tauschern (60 und 159) zugeführt, in welchen der Dampf durch die Kühlkreisläufe (27, 28, 30, 31, 33, 126, 127, 129, 130 und 132) der Brennstoffzellen (14 und 114) weiter erhitzt wird, t) mit dem in den Wärmetauschern (60 und 159) nacherhitzten Dampf die Dampfturbinen (62, 64, 161 und 163) über die Verbindungen (61 und 160) mit thermischer Energie gespeist und in denselben in kinetische Energie umgewandelt werden, u) die verbleibende Abwärme aus den Gasturbinen-Prozessen, nachdem wesentliche Teile davon in den Dampferzeugern (47 und 146) entwertet wurden, in den Wärmetauschern (22 und 121) weiter abgereichert werden, indem das Abgas aus den Gasturbinen-Prozessen über die Verbindungen (48 und 147) die Wärmetauscher speist und mit der übertragenen Wärme auf die Verbindungen (21 und 120) die Frischluft erwärmt werden, v) der Wasserdampf in dem thermisch abgereicherte Abgas aus den Wärmetauschern (22 und 121) kommend in den Kondensatoren (50 und 149) als Kondensat niedergeschlagen und danach für den Abzug über die Kamine (54 und 153) wieder erwärmt wird, während das Kohlendioxid in den Kondensatoren (50 und 149) zu deren Verflüssigung auf unter einen Temperaturwert abgekühlt wird, welcher für das Kohlendioxid als kritischer Wert gilt, w) das Kohlendioxidgas durch die Weichen (52 und 151) kanalisiert wird derart, dass das Abgas wahlweise über die Kamine (54 und 153) in die Atmosphäre geleitet oder ihr vorenthalten wird, indem es in gasförmiger und flüssiger Form über CO₂-Pipelines abtransportiert wird, x) die Gasturbinen (38 und 137), die Verdichter (17, 38, 116 und 137), und die Dampfturbinen (62, 64, 161 und 63) durch einen gemeinsamen Antriebsstrang (72 und 171) miteinander verkoppelt sind, y) die Antriebsstränge (72 und 171) durch die Gasturbinen (45 und 144), die Mitteldruck-Dampfturbinen (62 und 161), die Niederdruck-Dampfturbinen (64 und 163) sowie durch die Gleichstrommotoren (71 und 170) angetrieben werden, welche ihren Antriebsstrom über die Verbindungen (70 und 169) aus den Brennstoffzellen (14 und 114) erhalten, z) die Antriebsstränge (72 und 171) mit den Generatoren (73 und 172) verbunden sind, welche den bilanzierten kinetischen Energieüberschuss zwischen den Antriebsmaschinen gemäß Punkt y) und den Verdichtern (17, 38, 116 und 137) aus den Antriebssträngen in elektrische Energie in sich vereinen und diesen an die Generatoren weitergeben, welche die kinetische Energie in elektrische Energie umwandeln und diese über die Verbindungen (74 und 173) in das Stromnetzt abgeführen, aa) der Wasserstoff aus den Gastrenn-Anlagen (7 und 107) in einem Brennstoffzellen-Prozess verstromt sowie über die Verbindungen (8 und 108) in eine H₂-Pipeline (9 und 109) für einen H₂-unterhaltenden Prozess eingespeist wird.