DE102004048932A1

DE102004048932A1 - Kraftwerk mit erhöhter Wirtschaftlichkeit und Verfahren zur Erhöhung der Wirtschaftlichkeit eines Kraftwerkes

Info

Publication number: DE102004048932A1
Application number: DE102004048932A
Authority: DE
Inventors: Bernhard M Sundermann-Peters
Original assignee: Sundermann-Peters Bernhard M Dipl-Ing
Current assignee: Sundermann-Peters Bernhard M Dipl-Ing
Priority date: 2004-10-07
Filing date: 2004-10-07
Publication date: 2006-04-20

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Kraftwerk (10) zur Erzeugung elektrischer und/oder thermischer Energie aus fossilen oder regenerativen Brennstoffen, durch Abfallverbrennung oder durch Kernspaltungsprozesse. Das Kraftwerk (10) weist Mitteltemperaturwärmeverbraucher, z. B. einen Wärmetauscher (30), zur Aufheizung von Kondensat auf Speisewassertemperatur und einen Wärmetauscher (32) zur Vorwärmung von in dem Kraftwerk (10) benötigter Verbrennungsluft, sowie Hochtemperaturwärmeverbraucher auf, z. B. eine Dampfturbine (18) zur Stromerzeugung mittels eines Generators (20). Zur Erhöhung der Wirtschaftlichkeit des Kraftwerks (10) ist dieses durch mindestens eine Bohrung (26) an ein geothermisches Reservoir (28) angebunden, aus dem ein Strom eines Wärmeträgerfluides mit einer Anfangsnutztemperatur dem Kraftwerk (10) zugeführt und dort zur Bereitstellung von Heizenergie für einen oder mehrere der Mitteltemperaturwärmeverbraucher verwendet wird.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft die Erhöhung der Wirtschaftlichkeit von Kraftwerken zur Erzeugung elektrischer und/oder thermischer Energie aus fossilen oder regenerativen Brennstoffen, aus einer Abfallverbrennung oder aus Kernspaltungsprozessen. Mit dem Begriff "fossile Brennstoffe" sind insbesondere Steinkohle, Braunkohle, Öl und Gas gemeint. Mit dem Begriff "regenerative Brennstoffe" sind nachwachsende Brennstoffe gemeint, wie sie z.B. bei sogenannten Biomasse-Kraftwerken Verwendung finden, beispielsweise also Holzschnitzel oder Öle, die aus Pflanzen wie z.B. Raps gewonnen werden, aber auch Gas, welches aus Gärprozessen stammt, wie sie z.B. bei landwirtschaftlichen Betrieben zur Verfügung stehen. Insbesondere betrifft die Erfindung also Kraftwerke zur Stromerzeugung sowie Heizkraftwerke, deren Energie in ein Nah- und/oder Fernwärmenetz eingespeist wird, aber natürlich auch solche Kraftwerke, die sowohl Strom als auch Heizenergie erzeugen.
Alle diese Kraftwerke weisen sogenannte Mitteltemperaturwärmeverbraucher und Hochtemperaturwärmeverbraucher auf. Ein typischer Hochtemperaturwärmeverbraucher eines Kraftwerkes zur Stromerzeugung ist beispielsweise die den Generator antreibende Dampfturbine. Einer solchen Dampfturbine muss unter hohem Druck stehender Dampf mit hoher Temperatur, üblicherweise etwa 400 bis 530°C zugeführt werden. Typische Mitteltemperaturwärmeverbraucher sind hingegen Vorrichtungen zur Aufheizung von Dampfturbinenkondensat auf Speisewassertemperatur, Vorrichtungen zur thermischen Wasseraufbereitung, Vorrichtungen zur Aufheizung von VE-Zusatzwasser (voll entsalztes Zusatzwasser) und ähnliche.
Als Energielieferant für Mitteltemperaturwärmeverbraucher und für Hochtemperaturwärmeverbraucher in heutzutage üblichen Kraftwerken der genannten Art wird exergiereicher Dampf verwendet, sogenannten Frischdampf, der aus einem Frischdampfversorgungsnetz des Kraftwerkes stammt. Der Frischdampf, der als Energielieferant für die Mitteltemperaturwärmeverbraucher benutzt worden ist, weist anschließend ein Energieniveau auf, welches für eine Verwendung in einem Hochtemperaturwärmeverbraucher zu gering ist. Dieser Teil des Frischdampfes steht daher beispielsweise für eine Stromerzeugung mittels der angesprochenen Dampfturbine und dem damit gekoppelten Generator nicht mehr zur Verfügung, sondern muss zum Dampferzeuger rückgeführt werden, wo er durch Aufheizen zu neuem exergiereichem Frischdampf wird.
Es ist bekannt, geothermische Energie zur Stromerzeugung zu nutzen. Dabei wird die Tatsache ausgenutzt, dass die Temperatur der Erdkruste in den oberen Schichten um etwa 3°C je 100 m zunimmt, an Stellen mit geothermischer Anomalie sogar um 11°C pro 100 m Tiefe. Zwar wird die Temperaturzunahme mit steigender Tiefe kleiner, jedoch herrschen in 4500 m Tiefe Temperaturen im Bereich von 150°C bis 170°C oder sogar darüber. Durch Tiefenbohrungen ist diese Energie zugänglich, wobei zur Verstromung Temperaturen von mindestens 120°C, besser 150°C und mehr gebraucht werden. Zur Stromerzeugung wird das aus dem geothermischen Reservoir kommende heiße Tiefenwasser durch einen Wärmetauscher geleitet, mit dessen Hilfe ein niedrig siedendes Medium bei ca. 30°C verdampft und somit auf ein höheres Druck- und Temperaturniveau gebracht wird. Dieses Druck- und Temperaturniveau wird in einer sogenannten ORC(Organic Rankine Cycle)-Turbine – für normale Dampfturbinen ist dieses Druck- und Temperaturniveau zu niedrig – zur Stromerzeugung genutzt. Der Wirkungsgrad ist dabei relativ gering, er liegt zwischen etwa 8 bis 13 %. Selbst eine Auskopplung von Nah- oder Fernwärme steigert den Wirkungsgrad eines solchen Kraftwerkes nur marginal, da bei gleichbleibender Förderleistung von geothermischer Energie die ausgekoppelte Heizenergie zur Erzeugung elektrischer Energie nicht mehr zur Verfügung steht. Insgesamt sind deshalb solche geothermischen Kraftwerke im Vergleich zu konventionellen Kraftwerken unwirtschaftlich, denn allein die Bohrungen und die Ausstattung des unterirdischen Kraftwerkteils machen etwa 60 bis 70 % der Gesamtkosten eines geothermischen Kraftwerkes aus.

Die Erfindung hat sich zum Ziel gesetzt, konventionelle Kraftwerke der eingangs genannten Art, insbesondere also kohle-, gas- und ölbefeuerte Kraftwerke, aber auch Atomkraftwerke und mittels regenerativer Brennstoffe oder durch Abfallverbrennung betriebene Kraftwerke, wirtschaftlicher zu gestalten.

Zur Lösung dieses Problems sieht die Erfindung ein Kraftwerk vor, bei dem einer oder mehrere der Mitteltemperaturwärmeverbraucher durch einen Strom eines Wärmeträgerfluides mit Heizenergie versorgt werden, der eine Anfangsnutztemperatur aufweist und dessen Energieinhalt im Wesentlichen aus einem geothermischen Reservoir stammt, aus dem der Wärmeträgerfluidstrom durch eine Bohrung, die das Kraftwerk mit dem geothermischen Reservoir verbindet, dem Kraftwerk zugeführt wird. Erfindungsgemäß wird also vorgeschlagen, herkömmliche Kraftwerke durch eine oder mehrere Tiefenbohrungen an ein geothermisches Reservoir anzukoppeln und die Energie aus dem geothermischen Reservoir für die im Kraftwerk vorhandenen Mitteltemperaturwärmeverbraucher zu benutzen. Aus diesem Vorgehen ergeben sich eine Reihe von Vorteilen: So sind in einem bereits bestehenden konventionellen Kraftwerk außer der Investition in die geothermischen Bohrungen keine weiteren Investitionen notwendig, beispielsweise braucht keine in herkömmlichen geothermischen Kraftwerken erforderliche OCR-Turbine angeschafft zu werden, sondern es können die vorhandenen Strukturen ohne Weiteres benutzt werden. Durch die Nutzung geothermischer Wärmeenergie in Verbindung mit konventionellen fossilen oder regenerativen Kraftwerken, Atomkraftwerken oder durch Abfallverbrennung betriebenen Kraftwerken wird eine Erhöhung des Kraftwerksanlagenwirkungsgrades um 4 bis 5 % erreicht, weil kein exergiereicher Frischdampf mehr für die Mitteltemperaturwärmeverbraucher "verloren" geht. Die Einsparung an Brennstoffkosten, die sich aus dem geringeren Bedarf an Frischdampf und dem daraus resultierend geringeren Brennstoffverbrauch ergibt, kann 10 % betragen. Aus dem verringerten Brennstoffverbrauch resultiert ersichtlich auch eine geringere Umweltbelastung, beispielsweise wird der CO₂-Ausstoss entsprechend verringert. Ferner brauchen erfindungsgemäß die Bohrungen in der Regel nicht so tief zu sein wie bisher üblich, denn während es bei einem herkömmlichen geothermischen Kraftwerk zur Erhöhung des Wirkungsgrades auf eine möglichst hohe Anfangsnutztemperatur des Wärmeträgerfluides ankommt, reicht für die erfindungsgemäß versorgten Mitteltemperaturwärmeverbraucher häufig bereits eine geringere Anfangsnutztemperatur aus, die in entsprechend geringerer Tiefe zur Verfügung steht, was die geothermischen Bohrungen signifikant verbilligt. Eine Amortisation der hauptsächlich aus den Bohrungskosten bestehenden Investition für die geothermische Kraftwerksankopplung ist deshalb erfindungsgemäß schon innerhalb von nur zwei bis drei Jahren möglich.

Grundsätzlich kann erfindungsgemäß als Wärmeträgerfluid jedes geeignete Fluid verwendet werden. In der Regel bietet es sich jedoch an, als Wärmeträgerfluid Wasser einzusetzen. Heißes Wasser kann z.B. durch Anbohren eines entsprechenden geothermischen Reservoirs erhalten werden. Eine andere Möglichkeit besteht in dem sogenannten HDR(hot-dry-rock)-Verfahren. Bei diesem Verfahren wird durch wenigstens eine Bohrung Wasser in ein geothermisches Reservoir aus heißem kristallinen Gestein gepresst, heizt sich dort auf und wird anschließend durch wenigstens eine weitere Bohrung von dem geothermischen Reservoir zum Kraftwerk geführt.

Die Anfangsnutztemperatur des erfindungsgemäß eingesetzten Wärmeträgerfluides kann in einem weiten Temperaturbereich liegen und wird sich in jedem Einzelfall aus den spezifischen Anforderungen und einer Kostenbetrachtung ergeben. Aus heutiger Sicht wird die Anfangsnutztemperatur, also die Temperatur des Wärmeträgerfluides, die beim Eintritt in das Kraftwerk zur Verfügung steht, im Bereich von 100°C bis 190°C liegen.

Unter dem Begriff "Mitteltemperaturwärmeverbraucher" werden im Rahmen der vorliegenden Erfindung alle Anlagen und Einrichtungen eines Kraftwerkes verstanden, die mit Heizenergie im Temperaturbereich von etwa 40°C bis etwas über 200°C versorgt werden müssen. Erfindungsgemäß kann deshalb der Mitteltemperaturwärmeverbraucher beispielsweise ein Wärmetauscher zur Aufheizung von Turbinenkondensat auf Speisetemperatur, ein Wärmetauscher zur Aufheizung von VE-Zusatzwasser, ein Wärmetauscher zur Aufheizung eines Rücklaufes aus einer Nahoder Fernwärmeversorgung, ein Wärmetauscher zur Aufheizung bzw. Verdampfung von Kondensat in Fernwärmedampfnetzen, ein Wärmetauscher zur Aufheizung von in dem Kraftwerk benötigter Verbrennungsluft, ein Wärmetauscher einer thermischen Wasseraufbereitung oder auch eine Anlage zur Aufheizung bzw. Temperaturhaltung von sogenannten Standby-Kesseln sein. Als Standby-Kessel werden solche Kessel eines Kraftwerks bezeichnet, die bei Bedarf, z.B. bei einem Ausfall eines anderen Kraftwerks oder bei plötzlich auftretenden Verbrauchsspitzen im Netz, in sehr kurzer Zeit Frischdampf zur Stromerzeugung liefern können müssen und deshalb ständig vorgeheizt werden.

Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Kraftwerks sind mehrere solcher Mitteltemperaturwärmeverbraucher vorhanden, die zur aufeinanderfolgenden Durchströmung von dem Strom des Wärmeträgerfluides angeordnet sind. Dabei wird der Mitteltemperaturwärmeverbraucher mit der höchsten Energieniveauanforderung, also derjenige Mitteltemperaturverbraucher, der Heizenergie mit der relativ zu den anderen Mitteltemperaturverbrauchern höchsten Temperatur benötigt, zuerst durchströmt und jeder folgende Mitteltemperaturwärmeverbraucher weist eine gegenüber dem vorhergehenden Mitteltemperaturwärmeverbraucher niedrigere Energieniveauanforderung auf. Auf diese Weise kann die zur Verfügung stehende geothermische Energie bestmöglich ausgenutzt werden.

Gemäß einer weiteren Ausgestaltung kann nach Durchströmen eines oder mehrerer Mitteltemperaturwärmeverbraucher aus dem Strom des geothermisch aufgeheizten Wärmeträgerfluides auch Nah- und/oder Fernwärme ausgekoppelt werden, um den Gesamtanlagenwirkungsgrad nochmals zu steigern.

Das eingangs genannte Ziel wird erfindungsgemäß auch durch ein Verfahren zur Erhöhung der Wirtschaftlichkeit eines Kraftwerkes gemäß dem Patentanspruch 12 gelöst.

Mittels der Erfindung wird bei Kraftwerken ein beträchtlicher Anteil exergiereichen Frischdampfes eingespart und durch exergieärmeres geothermisches Tiefenwasser ersetzt, welches nach Amortisation der für die Bohrungen notwendigen Investition quasi "kostenlos" zur Verfügung steht. Ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Kraftwerkes mit Geothermieanbindung wird im Folgenden anhand des beigefügten, in der einzigen Figur wiedergegebenen Prozessschemas näher erläutert.

Die Figur zeigt ein Kraftwerk 10 zur Erzeugung von Strom und Fernwärme mit einem herkömmlichen Wasser-Dampf-Kreislauf 12, der sich innerhalb der gestrichelt wiedergegebenen Umrandung befindet.
Der Kreislauf 12 umfasst einen Speisewasserbehälter 14, aus dem Speisewasser in einen Dampfkessel 16 strömt. Der Dampfkessel 16 wird durch Verbrennen fossiler oder regenerativer Brennstoffe, durch Abfallverbrennung oder durch die im Rahmen von Kernspaltungsprozessen erzeugte Wärme beheizt, um das zugeführte Speisewasser zu verdampfen. Der erzeugte Dampf strömt zu einer Dampfturbine 18, die hier zweistufig ausgebildet ist und in bekannter Art und Weise einen Generator 20 zur Erzeugung elektrischer Energie E antreibt.
Teilweise entspannter, aus der ersten Stufe der Dampfturbine 18 ausgeleiteter Dampf wird durch eine Wärmeübertragerstation 22 geleitet, um Wärme in ein Fernwärmenetz 24 einzuspeisen. Zur Schließung des Wasser-Dampf-Kreislaufes 12 wird das in der Wärmeübertragerstation 22 kondensierte Wasser zurück zum Speisewasserbehälter 14 geführt. Der vollständig entspannte Dampf (Druckniveau etwa 80 mbar absolut) wird aus der zweiten Stufe der Dampfturbine 18 in einen Kühlturm 25 geleitet, wo er kondensiert und als Kondensat mit einer Temperatur von etwa 40 bis 60°C ebenfalls zurück zum Speisewasserbehälter 14 geführt wird.
Im Unterschied zu bekannten Kraftwerken dieser Art ist das Kraftwerk 10 über eine oder mehrere Bohrungen 26, die 2500 m bis 4000 m oder mehr in die Erdkruste (nicht dargestellt) reichen können, an ein geothermisches Reservoir 28 angeschlossen. Mittels nicht gezeigter Saugpumpen wird durch diese Bohrungen 26 beispielsweise 150°C heißes Tiefenwasser aus dem geothermischen Reservoir 28 nach oben zum Kraftwerk 10 gefördert.
Das heiße Wasser aus dem geothermischen Reservoir 28 wird dazu verwendet, mehrere Mitteltemperaturwärmeverbraucher mit Heizenergie zu versorgen. Zunächst strömt das heiße Wasser durch einen Wärmetauscher 30, der in einer von der Wärmeübertragerstation 22 zum Speisewasserbehälter 14 führenden Leitung angeordnet ist und dazu dient, das Kondensat aus der Wärmeübertragerstation 22 bzw. der Dampfturbine 18 auf eine gewünschte Speisewassertemperatur aufzuheizen. Anschließend strömt das nunmehr kühler gewordene Tiefenwasser durch einen weiteren Wärmetauscher 32, der zur Vorwärmung der im Kraftwerk 10 benötigten Verbrennungsluft L dient. Je nach dann noch vorhandenem Temperaturniveau kann das Tiefenwasser schließlich noch eine Wärmeübertragerstation 34 durchlaufen, die Wärme aus dem Tiefenwasser in das Fernwärmenetz 24 einspeist. Alternativ kann ein Teil des durch die Bohrungen 26 hochgeförderten Tiefenwassers auch gleich durch die Wärmeübertragerstation 34 geleitet werden, um so die in das Fernwärmenetz 24 eingekoppelte Energiemenge zu erhöhen.
Das abgekühlte Tiefenwasser wird durch eine Injektorbohrung 36 zur erneuten Aufheizung zurück in das geothermische Reservoir 28 geführt.
Handelt es sich bei dem Kraftwerk 10 um ein mit Steinkohle befeuertes Kraftwerk mit 300 MW elektrischer Leistung, dann werden in dem Kraftwerk bei einem angenommenen Wirkungsgrad von 41 % vor der Geothermieanbindung, einer jährlichen Betriebsdauer von 7500 Stunden und einem Energieinhalt von 32 MJ pro kg Steinkohle gemäß der Berechnung
insgesamt 617.376,6 t Steinkohle pro Jahr verbraucht.
Nach der Geothermieanbindung werden bei einer angenommenen Wirkungsgradsteigerung auf 45,5 % unter sonst gleichen Bedingungen lediglich noch 556.318,6 t Steinkohle jährlich verbraucht, d.h. durch die Ankopplung an das geothermische Reservoir 28 können gut 60.000 t Steinkohle jährlich eingespart werden. Diese Steinkohlemenge entspricht einer Verringerung des Kohlendioxidausstoßes des Kraftwerks 10 um ca. 110.000 t und einer Brennstoffkosteneinsparung von gut 2,5 Millionen Euro bei einem angenommenen Steinkohlepreis von 43 Euro pro Tonne.

Claims

Kraftwerk (10) zur Erzeugung elektrischer und/oder thermischer Energie aus fossilen oder regenerativen Brennstoffen, durch Abfallverbrennung oder durch Kernspaltungsprozesse, mit Mitteltemperaturwärmeverbrauchern und Hochtemperaturwärmeverbrauchern, dadurch gekennzeichnet, dass einer oder mehrere der Mitteltemperaturwärmeverbraucher durch einen Strom eines Wärmeträgerfluides mit einer Anfangsnutztemperatur mit Heizenergie versorgt werden, dessen Energieinhalt im Wesentlichen aus einem geothermischen Reservoir (28) stammt und der durch eine Bohrung (26), die das Kraftwerk (10) mit dem geothermischen Reservoir (28) verbindet, dem Kraftwerk (10) zugeführt wird.
Kraftwerk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Wärmeträgerfluid Wasser ist und die Anfangsnutztemperatur im Bereich von 100 °C bis 190 °C liegt.
Kraftwerk nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Mitteltemperaturwärmeverbraucher ein Wärmetauscher (30) zur Aufheizung von Turbinenkondensat auf Speisewassertemperatur ist.
Kraftwerk nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Mitteltemperaturwärmeverbraucher ein Wärmetauscher zur Aufheizung von vollentsalztem Zusatzwasser ist.
Kraftwerk nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Mitteltemperaturwärmeverbraucher ein Wärmetauscher zur Aufheizung eines Rücklaufes aus einer Fernwärmeversorgung ist.
Kraftwerk nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Mitteltemperaturwärmeverbraucher ein Wärmetauscher zur Aufheizung bzw. Verdampfung von Kondensat in Fernwärmedampfnetzen ist.
Kraftwerk nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Mitteltemperaturwärmeverbraucher ein Wärmetauscher (32) zur Aufheizung von in dem Kraftwerk benötigter Verbrennungsluft ist.
Kraftwerk nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Mitteltemperaturwärmeverbraucher ein Wärmetauscher einer thermischen Wasseraufbereitung ist.
Kraftwerk nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Mitteltemperaturwärmeverbraucher eine Anlage zur Aufheizung und Temperaturhaltung eines Standby-Kessels ist.
Kraftwerk nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Mitteltemperaturwärmeverbraucher vorhanden sind, die zur aufeinanderfolgenden Durchströmung von dem Strom des Wärmeträgerfluides angeordnet sind, wobei der Mitteltemperaturwärmeverbraucher mit der höchsten Energieniveauanforderung zuerst durchströmt wird und jeder folgende Mitteltemperaturwärmeverbraucher eine gegenüber dem vorhergehenden Mitteltemperaturwärmeverbraucher niedrigere Energieniveauanforderung aufweist.
Kraftwerk nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Strom des Wärmeträgerfluides nach Durchströmen eines oder mehrerer der Mitteltemperaturwärmeverbraucher über eine Injektorbohrung (36) in das geothermische Reservoir (28) rückgeführt und nach Aufheizung dem Kraftwerk wieder zugeführt wird.
Verfahren zur Erhöhung der Wirtschaftlichkeit eines Kraftwerkes zur Erzeugung elektrischer und/oder thermischer Energie aus fossilen oder regenerativen Brennstoffen, durch Abfallverbrennung oder durch Kernspaltungsprozesse, wobei das Kraftwerk Mitteltemperaturwärmeverbraucher und Hochtemperaturwärmeverbraucher umfasst, gekennzeichnet durch den Schritt des Verwendens eines Stroms eines Wärmeträgerfluides mit einer Anfangsnutztemperatur, dessen Energieinhalt im Wesentlichen aus einem geothermischen Reservoir stammt, als Energielieferant für einen oder mehrere der Mitteltemperaturwärmeverbraucher.
Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Wärmeträgerfluid Wasser ist und die Anfangsnutztemperatur im Bereich von 100 °C bis 190 °C liegt.
Verfahren nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Strom des Wärmeträgerfluides nacheinander durch mehrere Mitteltemperaturwärmeverbraucher geführt wird, wobei der Mitteltemperaturwärmeverbraucher mit der höchsten Energieniveauanforderung als erstes durchströmt wird und jeder folgende Mitteltemperaturwärmeverbraucher eine geringere Energieniveauanforderung aufweist als der vorhergehende Mitteltemperatur wärmeverbraucher.