DE102006046246A1

DE102006046246A1 - Verfahren und Anlage zum Verdampfen von verflüssigtem Erdgas und Entspannen von Erdgas

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Publication number: DE102006046246A1
Application number: DE102006046246A
Authority: DE
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2006-08-08
Filing date: 2006-09-28
Publication date: 2008-02-14
Also published as: WO2008017470A1

Abstract

Es werden ein Verfahren und eine Anlage zum Verdampfen von flüssigem Gas, insbesondere verflüssigtem Erdgas, und/oder Entspannen von Gas vorgeschlagen. Das Erdgas wird bei einem gegenüber dem Abgabedruck erhöhten Druck in einem Wärmeübertrager verdampft und anschließend mittels einer Expansionsmaschine entspannt. Dies gestattet einen besonders effektiven Wärmetausch und eine optimierte Energieausnutzung. Alternativ oder zusätzlich wird das Erdgas isochor durch Wärmezufuhr über einen Abgabedruck verdichtet und anschließend zur Erzeugung mechanischer Energie entspannt.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verdampfen von flüssigem Gas, insbesondere verflüssigtem Erdgas, und/oder zum Entspannen von Gas, insbesondere Erdgas, auf einen gewünschten Abgabedruck, insbesondere für eine Gasversorgungseinrichtung, sowie derartige Anlagen.
Verflüssigtes Erdgas wird beispielsweise durch Tanker oder in sonstiger Form angeliefert. Zur Einspeisung in eine Gasversorgungseinrichtung, wie einen Speicher oder eine Pipeline, muß das flüssige Gas verdampft werden. Zur Verdampfung ist weiterer Energieaufwand notwendig.
Aus der US 4,231,226 A , US 6,367,258 B1 und US 2006/0080963 A1 ist es jeweils bekannt, dem zu verdampfenden Gas die erforderliche Energie bzw. Wärme über einen Wärmeübertrager – üblicherweise als Wärmetauscher bezeichnet – zuzuführen, wobei die erforderliche Wärme von einer Gasturbinenanlage bereitgestellt wird, wodurch deren Wirkungsgrad erhöht wird.
Die US 3,367,258 B1 beschreibt, daß es grundsätzlich zwei Möglichkeiten gibt, wenn das Gas auf einen bestimmten Druck komprimiert werden soll. Bei der Niederdruckverdampfung wird das flüssige Gas zuerst verdampft und dann auf den gewünschten Druck verdichtet. Bei der Hochdruckverdampfung wird das flüssige Gas auf den gewünschten Druck – beispielsweise in zwei Stufen auf etwa 3,5 MPa oder mehr – verdichtet und dann verdampft und auf etwa 4°C erwärmt. Dies entspricht wohl dem Abgabedruck bzw. erforderlichen Druck für weitere Anwendungen.
In Deutschland arbeiten Gasversorgungseinrichtungen, die das Gas in gasförmiger Form speichern bzw. bereitstellen und insbesondere der allgemeinen Gasversorgung dienen, meistens mit einem Versorgungs- bzw. Gasdruck von etwa 8 MPa. Üblicherweise entspricht der Abgabedruck, mit dem das verdampfte Gas an eine Gasversorgungseinrichtung abgegeben wird, diesem Versorgungsdruck. Mit diesem Druck erfolgt auch üblicherweise eine Spei cherung. Dieser Speicherdruck wird dann für Endverbraucher normalerweise abgesenkt, insbesondere auf einen Endabgabedruck von etwa 105 kPa.
Planungen der Gasversorgung sehen vor, das Gas vor Abgabe in eine Gasversorgungseinrichtung in Kavernen zwischenzuspeichern, um Abnahmeschwankungen auszugleichen. Dafür ist ein deutlich höherer Gasdruck von beispielsweise 27 MPa vorgesehen.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein verbessertes Verfahren und eine verbesserte Anlage zum Verdampfen von flüssigem Gas, insbesondere verflüssigtem Erdgas, und/oder zum Entspannen von Gas, insbesondere Erdgas, auf einen gewünschten Abgabedruck anzugeben, wobei eine höhere Effizienz bzw. Energieausnutzung und/oder ein verbesserter Wärmeübergang ermöglicht wird bzw. werden.
Die obige Aufgabe wird durch ein Verfahren gemäß Anspruch 1, 6 oder 22 oder durch eine Anlage gemäß Anspruch 23, 24 oder 26 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
Ein Aspekt der vorliegenden Erfindung liegt darin, das flüssige Gas. zunächst auf einen erhöhten Druck zu verdichten, der deutlich über dem Abgabedruck liegt und/oder mindestens 15 MPa beträgt, und dann durch Wärmezufuhr zu verdampfen. Durch den erhöhten Druck wird – zumindest in dem relevanten Temperaturbereich von etwa 110 K bis zur Raumtemperatur oder darüber – im Gegensatz zu den sonst üblichen niedrigeren Drücken – bei dem zu verflüssigendem Gas ein quasi ideales Gasverhalten bzw. eine zumindest im wesentlichen konstante spezifische Wärmekapazität c_p – spezifische Wärmekapazität bei konstantem Druck – erreicht. Dies gestattet eine deutliche Verbesserung der Wärmezufuhr bzw. des sogenannten Wärmetauschs durch einen Wärmeübertrager (Wärmetauscher) und gestattet dementsprechend eine effektivere Energieausnutzung.
Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung liegt darin, das verdampfte und erwärmte Gas von dem erhöhten Druck wieder auf den gewünschten Abgabedruck zu entspannen. Insbesondere erfolgt das Entspannen mittels einer Expansionsmaschine, z. B. über eine Verdrängungsmaschine, eine Turbine oder eine Hubkolbenmaschine, so daß mechanische Energie zum Betrieb einer Arbeitsmaschine, wie eines elektrischen Generators, erzeugt werden kann. Dies gestattet wiederum eine optimierte Energieausnutzung.
Ein anderer Aspekt der vorliegenden Erfindung liegt darin, das Gas im gasförmigen Zustand – insbesondere nach dem Verdampfen oder nach Entnahme aus einem Speicher o. dgl. – ausgehend von einem dann vorliegenden Anfangsdruck auf den erhöhten Druck zu verdichten. Dieses Verdichten erfolgt vorzugsweise durch Vorwärmen bzw. isochor mittels eines entsprechenden Wärmeübertragers. Anschließend erfolgt das Entspannen auf den gegenüber dem Anfangsdruck insbesondere niedrigeren Abgabedruck, wobei insbesondere mechanische Energie mittels eine Expansionsmaschine erzeugt wird. So wird ein sehr energieeffizientes Entspannen des Gases ermöglicht.
Besonders zu erwähnen ist, daß beim Entspannen auf den niedrigeren Abgabedruck von insbesondere weniger als 10 MPa auch das Verhalten des Gases als nicht ideales – also als reales – Gas zu einer wesentlichen Steigerung der verfügbaren bzw. erzeugbaren Energie führt.
Besonders bevorzugt wird das zu verflüssigende Gas nicht nur auf den erhöhten Druck verdichtet, sondern auch auf eine gegenüber der gewünschten Abgabetemperatur von beispielsweise etwa 275 bis 280 K deutlich erhöhte Temperatur erwärmt und anschließend beim bzw. durch das Entspannen sowohl auf den gewünschten Abgabedruck als auch auf die gewünschte Abgabetemperatur gebracht.
Weitere Aspekte, Vorteile, Eigenschaften und Merkmale der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen und der nachfolgenden Erläuterung bevorzugter Ausführungsformen anhand der Zeichnung. Es zeigt:
1 eine schematische Ansicht einer vorschlagsgemäßen Anlage gemäß einer ersten Ausführungsform;
2 ein schematisches Enthalpiediagramm von Erdgas;
3 ein schematisches T-s-Diagramm eines ersten Verfahrensablaufs;
4 eine schematische Ansicht einer vorschlagsgemäßen Anlage gemäß einer zweiten Ausführungsform;
5 ein schematisches T-s-Diagramm eines zweiten Verfahrensablaufs; und
6 ein schematisches T-s-Diagramm eines dritten Verfahrensablaufs.
Die vorliegende Erfindung befaßt sich mit dem Verdampfen von flüssigem Gas, insbesondere verflüssigtem Erdgas. Nachfolgend wird daher immer von Erdgas gesprochen. Jedoch kann es sich auch um sonstiges flüssiges bzw. verflüssigtes Gas, wie sogenanntes Flüssiggas (Propan, Butan oder eine Mischung davon) bzw. LPG (Liquified Petrolium Gas) oder dergleichen, handeln. Die vorliegende Erfindung befaßt sich alternativ oder zusätzlich mit dem Entspannen von Gas, insbesondere Erdgas. Jedoch kann es sich hierbei auch um sonstiges Gas, insbesondere im vorgenannten Sinne oder Luft, handeln.
1 zeigt in einer nur schematischen, blockschaltbildartigen Darstellung eine vorschlagsgemäße Anlage 1 zur Verdampfung von flüssigem Erdgas gemäß einer ersten Ausführungsform.
Die Anlage 1 weist einen Anschluß bzw. Einlaß 2 oder dergleichen zur Aufnahme des nicht dargestellten flüssigen Erdgases, beispielsweise aus einem nicht dargestellten Tanker, Speicher oder dergleichen, auf. Der Druck beträgt am Einlaß 2 beispielsweise etwa 1,1 MPa, die Temperatur beispielsweise etwa 113 K.
Anschließend erfolgt ein Verdichten des flüssigen Erdgases auf einen erhöhten Druck. Hierzu weist die Anlage 1 vorzugsweise mindestens eine Pumpe 3, optional eine weitere Pumpe 4, auf. Das Verdichten bzw. Pumpen bzw. Unterdrucksetzten des flüssigen Erdgases erfolgt beim Darstellungsbeispiel in einer Stufe oder bedarfsweise in mehreren Stufen.
Der erhöhte Druck des Erdgases beträgt vorzugsweise mindestens 15 MPa, insbesondere mindestens 20 MPa, besonders bevorzugt im wesentlichen 24 MPa oder mehr, beim Darstellungsbeispiel etwa 27 MPa.
Der erhöhte Druck liegt vorzugsweise um mehr als 5 MPa, insbesondere mehr als 10 MPa, über einem Abgabedruck der Anlage 1 an eine nur angedeutete Gasversorgungseinrichtung, die über einen Anschluß bzw. Auslaß 5 an die Anlage 1 angeschlossen ist und beispielsweise einen nicht dargestellten Speicher oder eine nicht dargestellte Pipeline für das verdampfte Erdgas aufweisen kann. Jedoch kann auch eine Abgabe mit dem Endgabedruck an eine Gasversorgungseinrichtung eines Endverbrauchers erfolgen.
Der erhöhte Druck ist vorzugsweise derart gewählt, daß das Erdgas bei dem erhöhten Druck eine zumindest im wesentlichen von der Temperatur unabhängige spezifische Wärmekapazität c_p aufweist. Dies gilt zumindest für den relevanten Temperaturbereich von beispielsweise 113 K bis etwa 275 K oder darüber.
Das schematische Diagramm von 2 veranschaulicht schematisch die Abhängigkeit der Enthalpie H von der Temperatur T und dem Druck p. Hierbei zeigt die x-Achse die Enthalpiesteigerung H ohne Einheit, da es hier nicht um den Absolutwert, sondern nur um Relativwerte zur Veranschaulichung geht. Die y-Achse zeigt die Temperatur in Kelvin. Die einzelnen Kurven stellen verschiedene Isobaren dar, deren Werte in der Legende in MPa angegeben sind. Die Ableitung der Enthalpiekurven entspricht der spezifischen Wärmekapazität, genauer gesagt der spezifischen Wärmekapazität bei konstantem Druck. Die Kurven geben den Verlauf bei unterschiedlichen Drücken wieder.
Aus 2 ist ersichtlich, daß sich erst bei dem erhöhten Druck die Enthalpiekurve einer Geraden annähert, die spezifische Wärmekapazität also zumindest im wesentlichen konstant ist. Dementsprechend soll der erhöhte Druck vorzugsweise mindestens 15 MPa betragen, um eine zumindest im wesentlichen konstante spezifische Wärmekapazität des Erdgases zu erreichen.
Das flüssige Erdgas ist nach dem Verdichten bzw. Unterdrucksetzen noch immer flüssig. Auch wenn sich hierdurch und/oder durch sonstige Einflüsse die Temperatur etwas erhöht hat, beispielsweise auf etwa 120 bis 160 K.
Anschließend wird das flüssige Erdgas durch Wärmezufuhr verdampft. Dies erfolgt bei der in 1 gezeigten Anlage 1 vorzugsweise in einem der Pumpe 3 bzw. 4 nachgeordneten Wärmeübertrager 6. Die Wärmezufuhr bzw. der Wärmetausch und die Verdampfung erfolgen vorzugsweise zumindest im wesentlichen bei konstantem Druck (isobar), also bei dem erhöhten Druck des zunächst noch flüssigen Erdgases. Das Verdampfen erfolgt insbesondere innerhalb des Wärmeübertragers 6.
Es ist anzumerken, daß aufgrund von Strömungswiderständen, Turbulenzen, Schwankungen oder dergleichen gewisse Druckverluste oder Druckschwankungen auftreten können. Dementsprechend kann das zunächst noch flüssige Erdgas beispielsweise von den Pumpen 3, 4 auf einen etwas über dem erhöhten Druck liegenden Druck verdichtet werden und/oder der Druck des Erdgases im Wärmeübertrager 6 aufgrund des Verdampfungsvorgangs etwas variieren.
Die Wärmezufuhr zur Erwärmung und Verdampfung des Erdgases kann generell auf beliebige Weise erfolgen. Beispielsweise kann – wie im Stand der Technik bekannt – Meereswärme oder ein sogenannter Tauchflammenverdampfer, ein "open-rack"-Verdampfer oder dergleichen eingesetzt werden. Die Kälteenergie kann auch beispielsweise in der Chemie oder Lebensmittelindustrie oder dergleichen verwendet werden.
Besonders bevorzugt erfolgt die Wärmezufuhr jedoch durch eine thermische Kraftwerksanlage 7, beispielsweise mit einer Turbine, wie in 1 angedeutet. Als Kraftwerksanlage 7 im Sinne der vorliegenden Erfindung ist insbesondere eine Gasturbinenanlage, Dampfturbinenanlage und/oder kombinierte Gas- und Dampfturbinenanlage oder dergleichen zu verstehen. Eine solche Turbinenanlage dient insbesondere der Erzeugung elektrischer und/oder mechanischer Energie. Die Turbinenanlage kann mit offenem oder geschlossenem Kreislauf betrieben werden, wobei das Medium flüssig und/oder gasförmig sein kann.
Die Wärmezufuhr zum Verdampfen des Erdgases bzw. der Wärmeübertrager 6 führt besonders bevorzugt zu einer Kühlung eines Mediums der Kraftwerksanlage 7, beispielsweise von Ansaugluft, zu einem Absenken der Kondensatortemperatur eines Gas- und Dampfturbinen-Kraftwerkes oder dergleichen. Insbesondere kann so der mögliche bzw. tatsächliche Wirkungsgrad der Kraftwerksanlage 7 erhöht werden.
Hinsichtlich der Einsatzmöglichkeiten bzw. Kopplung des Wärmeübertragers 6 oder auch mehrerer derartiger Wärmeübertrager bei bzw. mit der Kraftwerksanlage 7, insbesondere einer Gasturbine, wird auf die US 4,231,226 A , US 6,367,258 B1 und US 2006/0080963 A1 verwesen, die hiermit diesbezüglich als ergänzende Offenbarung genannt und eingeführt werden.
Bei der ersten Ausführungsform ist nur ein einziger Wärmeübertrager 6 vorgesehen, um das zunächst noch flüssige Erdgas zu verdampfen und auf eine gewünschte, insbesondere erhöhte Temperatur zu erhitzten. Die Verdampfung und insbesondere auch Erwärmung erfolgen also vorzugsweise einstufig. Dies schließt jedoch nicht aus, daß mehrere Wärmeübertrager 6 parallel geschaltet sind bzw. arbeiten, um einen gewünschten Durchsatz zu erreichen.
Auch wenn mehrere Wärmeübertrager 6 hintereinander geschaltet sind, erfolgt vorzugsweise nur in einem, insbesondere in dem ersten Wärmeübertrager 6, das Verdampfen des Erdgases.
Beim Darstellungsbeispiel wird das verdampfte Erdgas – insbesondere unmittelbar in dem Wärmeübertrager 6 – auf eine gegenüber der Abgabetemperatur am Anschluß bzw. Auslaß 5 von beispielsweise etwa 273 bis 285 K erhöhte Temperatur, vorzugsweise auf über 300 K, insbesondere mehr als 340 K. besonders bevorzugt im wesentlichen 360 K oder mehr, erwärmt.
Wie bereits erwähnt, führt der erhöhte Druck zu einer im wesentlichen von der Temperatur unabhängigen bzw. konstanten spezifischen Wärmekapazität des Erdgases. Um eine besonders effektive Wärmeübertragung zu erreichen, erfolgt die Wärmezufuhr von einem wärmeren Medium (insbesondere im Wärmeübertrager 6 und hier besonders bevorzugt von der Kraftwerksanlage 7), das vorzugsweise ebenfalls eine im wesentlichen von der Temperatur unabhängige bzw. konstante spezifische Wärmekapazität aufweist.
Besonders bevorzugt wird die Wärme zum Verdampfen des flüssigen Erdgases vollständig von der Kraftwerksanlage 7 zugeführt bzw. bereitgestellt. Jedoch ist es grundsätzlich auch möglich, zusätzlich bzw. ergänzend oder alternativ auf andere Art Wärme zuzuführen bzw. bereitzustellen.
Das verdampfte Erdgas wird dann von dem erhöhten Druck wieder entspannt, insbesondere auf den Abgabedruck von vorzugsweise höchstens 22 oder 10 MPa, insbesondere im wesentlichen 8 bis 8,5 MPa oder weniger, oder sogar auf den Endgabedruck von beispielsweise etwa 105 kPa.
Besonders bevorzugt erfolgt das Entspannen in einer einstufigen oder mehrstufigen Expansionsmaschine B. Beim Darstellungsbeispiel weist die Expansionsmaschine 8 eine Verdrängungsmaschine oder Hubkolbenmaschine, vorzugsweise eine Turbine 9 auf, in der das Erdgas von dem erhöhten Druck zumindest im wesentlichen auf den Abgabedruck entspannt wird. Besonders bevorzugt treibt die Expansionsmaschine 8 bzw. Turbine 9 eine Arbeitsmaschine, hier einen Generator 10, zur Erzeugung von Strom an, wie in 1 angedeutet. Jedoch kann die Expansionsmaschine 8 bzw. Turbine 9 alternativ oder zusätzlich auch für sonstige Zwecke, beispielsweise zum Erzeugen mechanischer Energie, eingesetzt werden. Gemäß einer nicht dargestellten Ausführungsvariante kann die Turbine 9 auch einen Teil der Kraftwerksanlage 7 bilden bzw. in sonstiger Weise mit dieser gekoppelt oder kombiniert sein.
Beim oder durch das Entspannen kühlt sich das Gas ab, vorzugsweise auf etwa oder unter 300 K, besonders bevorzugt zumindest im wesentlichen auf die gewünschte Abgabetemperatur.
Zur Steuerung oder Regelung des Abgabedrucks kann die Anlage 1 abgabeseitig auch mit einer nicht dargestellten Drucksteuerung bzw. – regelung oder dergleichen versehen sein. Dies kann ebenfalls auch durch entsprechende Steuerung der Expansionsmaschine 8 bzw. Turbine 9 erfolgen.
Weiter kann bei Bedarf auch eine Kühlung und/oder Erwärmung des Erdgases nach dem Entspannen auf die gewünschte Abgabetemperatur – beispielsweise mittels eines optionalen (weiteren) Wärmeübertragers 11, wie in 1 angedeutet – erfolgen. In diesem Fall wird das Erdgas im ersten Wärmetauscher 6 beispielsweise nur auf eine niedrigere Temperatur erwärmt und/oder in der Expansionsmaschine 8 unter die Abgabetemperatur abgekühlt.
Der zusätzliche Wärmetauscher 11 kann bedarfsweise wiederum mit der Turbinenlage 7 gekoppelt sein bzw. von dieser seine Wärme beziehen. Jedoch sind auch andere technische Lösungen möglich, wie bereits generell für die Wärmezufuhr für das Verdampfen des Erdgases angesprochen.
Die Kraftwerksanlage 7 kann bei Bedarf einen Teil der Anlage 1 bilden oder als separate Anlage bzw. getrennt davon ausgebildet sein.
Die vorschlagsgemäße Anlage 1 gestattet eine besonders effiziente Verdampfung und/oder gute Energieausnutzung. Rechnungen haben gezeigt, daß in Kombination mit einer Gasturbinenanlage oder dergleichen eine hohe Wirtschaftlichkeit und Energieausbeute erreichbar sind.
Das schematische T-s-Diagramm gemäß 3 erläutert einen bevorzugten ersten Arbeitsablauf bzw. Verfahrensablauf beim Darstellungsbeispiel. Die x-Achse gibt die spezifische Entropie s in kJ·kg^–1·K^–1 an. Die y-Achse gibt die Temperatur in K an. Die Linien stellen Isochoren und Isobaren mit unterschiedlichen Werten gemäß der Legende dar.
Bei dem ersten Verfahrensablauf erfolgt zunächst ein Verdichten des flüssigen Erdgases ausgehend von dem Punkt A (z. B. T = 113 L, p = 1,1 MPa) gemäß Pfeil P1 auf den erhöhten Druck von beispielsweise 27 MPa, also in den Zustand B. Das Verdichten kann insbesondere mittels der Pumpe 3 und/oder zumindest im wesentlichen adiabatisch erfolgen. Das Verdichten erfolgt also insbesondere nicht entlang einer Isochoren 12, auch wenn dies bei der Darstellung gemäß 3 so aussieht, sondern z. B. entlang einer Polytropen. Im Zustand B hat sich die Temperatur des noch flüssigen Gases bereits etwas erhöht, beispielsweise auf etwa 120 bis 130 K.
Ausgehend vom Zustand B erfolgt dann eine Wärmezufuhr mittels des Wärmeübertagers 6. Hierdurch ändert das zunächst noch flüssige Gas seinen Zustand insbesondere zumindest im wesentlichen entlang einer Isobaren 13 (also unter Beibehaltung seines Drucks), bis der Zustand C erreicht wird. Während dieser Wärmezufuhr wird das zunächst noch flüssige Gas verdampft und liegt dann gasförmig mit dem erhöhten Druck und der erhöhten Temperatur von beispielsweise etwa 360 K vor. Der Übergang von der flüssigen zur gasförmigen Phase erfolgt also in einem einzigen Schritt, insbesondere in einem einzigen Wärmeübertrager 6. Bedarfsweise kann das Erwärmen vom Zustand B in den Zustand C über sonstige Zwischenzustände und/oder auch in mehreren Stufen erfolgen. Im Zustand C ist das Erdgas vollständig verdampft und insbesondere auf die erhöhte Temperatur von beispielsweise etwa 360 K erwärmt.
Anschließend erfolgt das Entspannen des Erdgases, wie durch Pfeil P2 angedeutet. Das Erdgas nimmt dann insbesondere den Abgabezustand D mit dem gewünschten Abgabedruck und insbesondere auch der gewünschten Abgabetemperatur ein, hier beispielsweise T = 300 K, p = 8 MPa.
Aufgrund der Abweichung des Erdgases von einem idealen Gas bzw. aufgrund des Real-Gas-Effekts bzw. der nicht parallel verlaufenden Isobaren 13 und 14 kann beim Entspannen – also Übergang vom Zustand C in den Zustand D – zusätzliche bzw. mehr Energie freigesetzt, als dies bei einem idealen Gas – also bei eng beieinanderleigenden bzw. parallel verlaufenden Isobaren 13 und 14 – der Fall wäre.
Das Erdgas kann auch mehrstufig entspannt werden mit mehrstufiger Zwischenerwärmung, die entlang einer Isobaren und/oder Isochoren erfolgen kann, um die Temperatur vor der Expansionsmaschine und einer vorgegebenen Abgabetemperatur niedrig zu halten.
Nachfolgend wird eine zweite Ausführungsform der vorschlagsgemäßen Anlage 1 und insbesondere auch ein zweiter Verfahrensablauf anhand der 4 und 5 erläutert, wobei insbesondere nur wesentliche Unterschiede gegenüber der ersten Ausführungsform erläutert werden. Die bisherigen Erläuterungen und Ausführungen gelten insbesondere entsprechend oder ergänzend.
Die Anlage 1 weist nur optional eine Pumpe 3 o. dgl. bei der zweiten Ausführungsform auf.
Die Anlage 1 weist zusätzlich zu dem (ersten) Wärmeübertrager 6 vorzugsweise einen zweiten, nachgeordneten Wärmeübertrager 6' zur Wärmezufuhr auf. Diese Wärmezufuhr kann wiederum grundsätzlich auf beliebige Weise erfolgen. Besonders bevorzugt erfolgt die Wärmezufuhr jedoch wiederum durch eine thermische Kraftwerksanlage 7', insbesondere eine Turbine, wie in 4 angedeutet. Die diesbezüglichen Erläuterungen bei der ersten Ausführungsform gelten insbesondere ergänzend. Bedarfsweise kann die weitere Kraftwerksanlage 7' auch mit der ersten Kraftwerksanlage 7 gekoppelt oder von dieser gebildet sein.
Bei der zweiten Ausführungsform erfolgt das Erwärmen des Erdgases im ersten Wärmetauscher 6 vorzugsweise zumindest im wesentlichen bei konstantem Druck, also isobar. Der Übergang von der flüssigen in die gasförmige Phase des Erdgases erfolgt vorzugsweise im ersten Wärmetauscher 6.
Der zweite Wärmetauscher 6' ist vorzugsweise derart ausgebildet, daß eine zumindest im wesentlichen isochore Erwärmung, insbesondere also zumindest im wesentlichen bei konstantem Volumen, des Erdgases erfolgt.
Das T-s-Diagramm gemäß 5 zeigt beispielhaft einen zweiten Verfahrensablauf, der insbesondere mit der vorschlagsgemäßen Anlage 1 gemäß der zweiten Ausführungsform realisierbar ist.
Ausgehend von dem Druck und der Temperatur am Einlaß 2 (beispielsweise T = 113 K und p = 9,5 MPa – Zustand A in 5) wird das flüssige Erdgas im ersten Wärmetauscher 6 zumindest im wesentlichen mit konstanten Druck – nämlich zumindest im wesentlichen entlang der Isobaren 13 – erwärmt und dabei verdampft. Jedoch kann zumindest auch ein Verdichten auf einen gewünschten Druck, beispielsweise 7 bis 10 MPa oder mehr, insbesondere durch die optionale Pumpe 3, erfolgen.
5 zeigt dann den Übergang von Zustand A in den Zustand B gemäß Pfeil P1a. Beispielsweise erfolgt in diesem ersten Schritt der Wärmezufuhr eine Erwärmung auf mehr als 200 K, insbesondere im wesentlichen 210 K. Die Wärmezufuhr kann bei einem Druck von beispielsweise etwa 7 bis 10 MPa, insbesondere im wesentlichen 9 bis 10 MPa, erfolgen.
Anschließend erfolgt eine zweite Wärmezufuhr, um das bereits gasförmige Erdgas weiter zu erwärmen und dessen Druck zu erhöhen. Diese Wärmezufuhr erfolgt zumindest im wesentlichen isochor – also zumindest im wesentlichen bei konstantem Volumen – im zweiten Wärmetauscher 6'. Hierbei ändert sich der Zustand des Gases von B zu C gemäß Pfeil P1b. Die Erwärmung erfolgt also zumindest im wesentlichen entlang der Isochoren 12 in 5.
Im Zustand C – also insbesondere nach der isochoren Wärmezufuhr – wird der erhöhte Druck und die erhöhte Temperatur des Erdgases erreicht, beim Darstellungsbeispiel etwa 60 MPa bei etwa 360 K. Jedoch können hier auch andere erhöhte Werte erreicht werden, wie insbesondere eingangs im Zusammenhang mit der ersten Ausführungsform erläutert.
Anschließend erfolgt das Entspannen von C in den Abgabezustand D gemäß Pfeil P2 insbesondere entsprechend der ersten Ausführungsform.
Grundsätzlich kann die insbesondere isochore Wärmezufuhr bzw. Erwärmung des Erdgases bedarfsweise auch in mehreren Schritten bzw. Stufen, ggf. also mit mehreren zweiten Wärmetauschern 6' oder auf sonstige geeignete Weise erfolgen. Auch kann ein abwechselndes Erwärmen und Entspannen mehrfach erfolgen.
Gemäß einer weiteren, nicht dargestellten Ausführungsvariante ist folgender Verfahrensablauf möglich. Ausgehend vom Anfangszustand mit beispielsweise etwa 113 K und einem Druck von etwa 8,2 MPa wird das flüssige Erdgas zunächst verdichtet, beispielsweise mittels der Pumpe 3, und zwar auf einen Druck von beispielsweise etwa 9,54 MPa. Hierbei kann sich die Temperatur leicht erhöhen, beispielsweise auf etwa 113,8 K.
Anschließend wird das flüssige Erdgas im ersten Wärmetauscher 6 und unter zumindest im wesentlichen isobaren Verhältnissen – also zumindest bei im wesentlichen konstantem Druck – auf etwa 210 K erwärmt und dabei verdampft.
Es schließt sich eine erste zumindest im wesentlichen isochore weitere Erwärmung – beispielsweise im zweiten Wärmeübertrager 6' – an. Hierbei kann die Temperatur beispielsweise auf etwa 280 K angehoben und der Druck auf etwa 33,2 MPa erhöht werden.
Anschließend folgt ein erstes Entspannen, beispielsweise über eine erste Expansionsmaschine, wie die Turbine 9. Hierbei wird der Druck beispielsweise auf 8 MPa erniedrigt, wobei die Temperatur des gasförmigen Erdgases dabei auf etwa 241 K fällt.
Anschließend erfolgt eine weitere bzw. zweite, zumindest im wesentlichen isochore Vorwärmung – beispielsweise in einem nicht dargestellten dritten Wärmeübertrager – auf beispielsweise 280 K und einen Druck von etwa 11,15 MPa.
Es erfolgt dann ein weiteres bzw. zweites Entspannen – vorzugsweise wieder mittels einer Expansionsmaschine, wie einer weiteren Turbine 9 – auf beispielsweise 8 MPa, wobei sich die Temperatur des Erdgases dabei auf etwa 268,1 K verringert. So kann beispielsweise der gewünschte Abgabedruck von etwa 8 MPa erreicht werden.
Vorzugsweise erfolgt schließlich noch eine weitere, jetzt insbesondere isobare Wärmezufuhr – beispielsweise wiederum mittels eines weiteren Wärmetauschers 6 –, um das Erdgas schließlich auf die gewünschte Abgabetemperatur von beispielsweise etwa 275 K zu erwärmen.
6 zeigt in einem sehr schematischen T-s-Diagramm (die x-Achse soll die spezifische Entropie s bezeichnen, Einheiten wurden aber weggelassen) einen dritten vorschlagsgemäßen Verfahrensablauf. Hierbei erfolgt ein Entspannen des bereits gasförmigen Erdgases von einem Anfangsdruck auf den niedrigeren Abgabedruck insbesondere zur Abgabe des Erdgases an eine Gasversor gungseinrichtung G im bereits genannten Sinne. Das vorschlagsgemäße Entspannen kann insbesondere nach einer vorschlagsgemäßen Verflüssigung des Erdgases oder auch nach einer sonstigen Verflüssigung des Erdgases oder auch unabhängig davon erfolgen. Insbesondere ist das vorschlagsgemäße Entspannen des Erdgases auch beispielsweise dazu einsetzbar, um das Erdgas von dem üblichen Speicherdruck von etwa 8,0 MPa als Anfangsdruck auf den üblichen Endversorgungsdruck von etwa 105 kPa als Abgabedruck zu entspannen.
Das vorschlagsgemäße Entspannen kann insbesondere mit der Anlage 1 (4) gemäß ohne den ersten Wärmetauscher 6 erfolgen. Die diesbezüglichen Erläuterungen gelten also insbesondere ergänzend bzw. entsprechend.
6 veranschaulicht, daß das zu entspannende Erdgas ausgehend von Zustand B (beispielsweise etwa 8 MPa oder mehr und beispielsweise 275 bis 300 K oder weniger) zumindest im wesentlichen entlang der Isochoren 12, also gemäß Pfeil P1, isochor erwärmt wird. Die Wärmezufuhr zu dieser Vorwärmung kann wiederum vorzugsweise von der Kraftwerksanlage 7 bzw. 7' oder einer sonstigen Einrichtung zur Verfügung gestellt werden. Im erwärmten Zustand C hat das Erdgas dann vorzugsweise wiederum den erhöhten Druck und die erhöhte Temperatur im bereits genannten Sinne.
Anschließend erfolgt das Entspannen gemäß Pfeil P2 vom Zustand C in den Abgabezustand D des Erdgases. Hierbei kann vorzugsweise wiederum mechanische Energie – beispielsweise mittels der Expansionsmaschine 8 – gewonnen werden.
Das vorschlagsgemäße Entspannen kann auch in mehreren Stufen und/oder mit abwechselndem Vorwärmen und Entspannen erfolgen.
Das vorschlagsgemäße Entspannen kann insbesondere auch bei der erforderlichen Reduzierung des üblichen Gasversorgungsdrucks von beispielsweise etwa 8 MPa auf den üblichen Endverbrauchdruck von beispielsweise etwa 105 kPa eingesetzt werden. Beispielsweise kann eine entsprechende Kraftwerks- oder Turbinenanlage mit der vorschlagsgemäßen Anlage 1 zum Entspannen kombiniert werden. Eine derartige Kombinationsanlage kann dann insbeson dere vor Ort bzw. dezentral eingesetzt werden, um beispielsweise Erdgas von dem üblichen Speicher- bzw. Fernversorgungsdruck auf den Endabgabedruck zu entspannen.
Wie bereits erläutert, können die vorschlagsgemäßen Anlagen 1 und/oder Verfahren nicht nur für Erdgas, sondern auch für sonstige Gase bzw. Zwecke eingesetzt werden. Beispielsweise ist das vorschlagsgemäße Entspannen von Gas durch zunächst zumindest im wesentlichen isochores Vorwärmen und anschließendes Entspannen insbesondere auch für Gasdruck- bzw. Luftdruckspeicher einsetzbar. Beispielsweise kann das vorschlagsgemäße Entspannen bei einem Luftdruckspeicherkraftwerk eingesetzt werden. Ein solches Kraftwerk pumpt insbesondere Umgebungsluft in unterirdische Kavernen o. dgl. zur Energiespeicherung. Beim Entspannen treibt die vorzugsweise unter sehr hohem Druck stehende Luft dann insbesondere ein Generator oder eine sonstige Arbeitsmaschine an. Das vorschlagsgemäße Entspannen kann zur besseren Energieausnutzung gerade in Verbindung mit einem derartigen Luftspeicherkraftwerk oder für sonstige Zwecke eingesetzt werden.
Einzelne Merkmale und Aspekte der verschiedenen Ausführungsformen und Verfahrensabläufe können auch beliebig miteinander kombiniert und/oder bei sonstigen Anlagen und Verfahren zum Verdampfen und/oder Entspannen von Erdgas oder sonstigem Gas eingesetzt werden.

Claims

Verfahren zum Verdampfen von flüssigem Gas und zur anschließenden Abgabe an eine Gasversorgungseinrichtung (G) bei einem Abgabedruck, wobei das flüssige Gas bei einem gegenüber dem Abgabedruck erhöhten Druck durch Wärmezufuhr verdampft wird, wobei das verdampfte Gas nach der Wärmezufuhr auf den Abgabedruck entspannt und an die Gasversorgungseinrichtung (G) abgegeben wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß verflüssigtes Erdgas als flüssiges Gas eingesetzt und verdampft wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das flüssige Gas vor der Wärmezufuhr – vorzugsweise in mehreren Stufen – auf den erhöhten Druck oder darüber verdichtet wird.
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärme – zumindest teilweise – bei konstantem Druck (entlang einer Isobaren) zugeführt wird.
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß bei einer Wärmezufuhr in mehreren Schritten die Zufuhr so aufgeteilt wird, daß der Übergang von der flüssigen zur gasförmigen Phase innerhalb eines einzelnen Schritts abgeschlossen ist.
Verfahren zum Entspannen von Gas, insbesondere Erdgas, von einem Anfangsdruck auf einen Abgabedruck und insbesondere zur anschließenden Abgabe an eine Gasversorgungseinrichtung (G), insbesondere nach einem der voranstehenden Ansprüche, wobei das Gas durch Wärmezufuhr auf einen gegenüber dem Anfangsdruck erhöhten Druck verdichtet wird, wobei das Gas nach der Wärmezufuhr von dem erhöhten Druck auf den Abgabedruck entspannt und insbesondere an die Gasversorgungseinrichtung (G) abgegeben wird.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß dem Gas zumindest im wesentlichen die Wärmemenge zugeführt wird, daß das Gas vor der Wärmezufuhr und nach dem Entspannen zumindest im wesentlichen die gleiche Temperatur und/oder nach dem Entspannen eine Temperatur von 275 bis 300 K aufweist.
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärme – zumindest teilweise – bei konstantem Volumen (entlang einer Isochoren) zugeführt wird.
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärme erst isobar und dann isochor oder umgekehrt zugeführt wird.
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmezufuhr und/oder das Entspannen in mehreren Schritten, insbesondere abwechselnd, erfolgt bzw. erfolgen, und/oder daß die Wärmezufuhr in einem oder mehreren Wärmeübertragern (6, 6') erfolgt.
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der erhöhte Druck vorzugsweise mehr als 5 MPa, insbesondere mehr als 10 MPa, über dem Abgabedruck liegt und/oder daß der erhöhte Druck mindestens 15 MPa, vorzugsweise mindestens 20 MPa, insbesondere im wesentlichen 24 MPa oder mehr, beträgt.
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der erhöhte Druck derart gewählt ist, daß das Gas bei dem erhöhten Druck eine zumindest im wesentlichen von der Temperatur unabhängige spezifische Wärmekapazität aufweist.
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Gas auf über 300 K, vorzugsweise mehr als 340 K, insbesondere im wesentlichen 360 K, erwärmt wird.
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmezufuhr durch Wärmeübertragung von einem wärmeren Medium erfolgt, das vorzugsweise eine zumindest im wesentlichen von der Temperatur unabhängige spezifische Wärmekapazität aufweist.
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärme teilweise oder vollständig von einer Kraftwerksanlage (7, 7') zugeführt bzw. bereitgestellt wird, insbesondere um deren Wirkungsgrad zu erhöhen.
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Gas beim Entspannen mechanische Energie erzeugt.
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Gas beim Entspannen eine Expansionsmaschine (8) antreibt, vorzugsweise wobei die Expansionsmaschine (8) eine Arbeitsmaschine, insbesondere einen Generator (10), antreibt.
Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Expansionsmaschine (8) eine Turbine (9) aufweist oder als solche ausgeführt ist, insbesondere wobei die Turbine (9) mit einer Kraftwerksanlage (7, 7') gekoppelt ist.
Verfahren nach Anspruch 17 oder 18, dadurch gekennzeichnet, daß die Expansionsmaschine (8) eine Verdrängungsmaschine oder Hubkolbenmaschine (9) aufweist oder als solche ausgeführt ist.
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Gas beim oder durch das Entspannen unter 300 K, insbesondere im wesentlichen auf 273 bis 285 K, abgekühlt wird, und/oder daß der Abgabedruck höchstens 10 MPa, insbesondere im wesentlichen 8 bis 8,5 MPa, 105 kPa oder dem Umgebungsdruck, beträgt.
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Gasversorgungseinrichtung (G) einen Speicher oder eine Pipeline aufweist, an die das entspannte Gas – ggf. nach einer Druckregelung – abgegeben wird.
Verfahren zum Verdampfen von verflüssigtem Erdgas, insbesondere nach einem der voranstehenden Verfahren, wobei verflüssigtes Erdgas bei einem Druck von mindestens 15 oder 20 MPa durch Wärmezufuhr in einem Wärmeübertrager (6) verdampft wird.
Anlage (1) zur Verdampfung von flüssigem Gas, insbesondere verflüssigtem Erdgas, mit einer Pumpe (3, 4) zum Verdichten des flüssigen Gases mindestens auf einen erhöhten Druck und mit einem Wärmeübertrager (6) zum Verdampfen des flüssigen Gases bei dem erhöhten Druck durch Wärmezufuhr vorzugsweise von einer Kraftwerksanlage (7), insbesondere um deren Wirkungsgrad zu erhöhen, dadurch gekennzeichnet, daß der erhöhte Druck mindestens 15 MPa beträgt und/oder das Gas bei dem erhöhten Druck eine zumindest im wesentlichen von der Temperatur unabhängige spezifische Wärmekapazität aufweist und/oder daß die Wärme bei konstantem Druck und/oder konstantem Volumen zuführbar ist und/oder daß die Anlage (1) eine dem Wärmeübertrager (6) nachgeordnete Expansionsmaschine (8) zur Entspannung des Gases auf einen gegenüber dem erhöhten Druck verringerten Abgabedruck aufweist.
Anlage (1) zur Verdampfung von flüssigem Gas, insbesondere verflüssigtem Erdgas, und zur anschließenden Abgabe des verdampften Gases an eine Gasversorgungseinrichtung (G) bei einem Abgabedruck, mit einem ersten Wärmeübertrager (6) zum Verdampfen des flüssigen Gases vorzugsweise bei zumindest im wesentlichen konstantem Druck durch Wär mezufuhr vorzugsweise von einer Kraftwerksanlage (7), insbesondere um deren Wirkungsgrad zu erhöhen, mit einem zweiten Wärmeübertrager (6') zum Verdichten des verdampften Gases bei zumindest im wesentlichen konstantem Volumen auf einen gegenüber dem Abgabedruck erhöhten Druck durch Wärmezufuhr vorzugsweise von einer Turbinenanlage (7'), insbesondere um deren Wirkungsgrad zu erhöhen, und mit einer Expansionsmaschine (8) zur Entspannung des Gases auf den Abgabedruck.
Anlage nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, dass die Wahl des Druckes vor Eintritt in den ersten Wärmeüberträger (6) und der Temperatur bei Eintritt in den zweiten Wärmetauscher (6') derart gewählt wird, dass der Übergang vom flüssigen in den gasförmigen Zustand im ersten Wärmeüberträger (6) stattfindet.
Anlage (1) zur Entspannung von Gas, insbesondere Erdgas, von einem Anfangsdruck auf einen Abgabedruck und vorzugsweise zur anschließenden Abgabe an eine Gasversorgungseinrichtung (G), insbesondere nach einem der Ansprüche 23 bis 25, mit einem Wärmeübertrager (6) zum Verdichten des Gases bei zumindest im wesentlichen konstantem Volumen auf einen gegenüber dem Anfangsdruck erhöhten Druck durch Wärmezufuhr vorzugsweise von einer Kraftwerksanlage (7'), insbesondere um deren Wirkungsgrad zu erhöhen, und mit einer Expansionsmaschine (8) zur Entspannung des Gases auf den Abgabedruck.
Anlage nach einem der Ansprüche 24 bis 26, dadurch gekennzeichnet, daß der erhöhte Druck mindestens 15 MPa beträgt.
Anlage nach einem der Ansprüche 23 bis 27, dadurch gekennzeichnet, daß der erhöhte Druck vorzugsweise mehr als 5 MPa, insbesondere mehr als 10 MPa, über dem Abgabedruck liegt.
Anlage nach einem der Ansprüche 23 bis 28, dadurch gekennzeichnet, daß der erhöhte Druck mindestens 20 MPa, insbesondere im wesentlichen 24 MPa oder mehr, beträgt.
Anlage nach einem der Ansprüche 23 bis 29, dadurch gekennzeichnet, daß das Gas auf über 300 K, vorzugsweise mehr als 340 K, insbesondere im wesentlichen 360 K, durch die Wärmezufuhr erwärmt wird.
Anlage nach einem der Ansprüche 23 bis 30, dadurch gekennzeichnet, daß die Expansionsmaschine (8) eine Verdrängungsmaschine, eine Hubkolbenmaschine oder eine Turbine (9) aufweist oder als solche ausgeführt ist, insbesondere wobei die Turbine (9) mit der Kraftwerksanlage (7') gekoppelt ist.
Anlage nach einem der Ansprüche 23 bis 31, dadurch gekennzeichnet, daß die Expansionsmaschine (8) eine Arbeitsmaschine, insbesondere einen Generator (10), antreibt.
Anlage nach einem der Ansprüche 23 bis 32, dadurch gekennzeichnet, daß das Gas beim oder durch das Entspannen unter 300 K, insbesondere im wesentlichen auf 273 bis 285 K, abgekühlt wird.