DE102009007232A1

DE102009007232A1 - Thermische Kraftwerksanlage, insbesondere solarthermische Kraftwerksanlage

Info

Publication number: DE102009007232A1
Application number: DE102009007232A
Authority: DE
Inventors: Vladimir Dr. Danov
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2009-02-03
Filing date: 2009-02-03
Publication date: 2010-08-05
Also published as: EP2394109A2; WO2010089197A3; US20110289935A1; WO2010089197A2; AU2010211201B2; CN102686958A; AU2010211201A1

Abstract

Thermische Kraftwerksanlage, insbesondere solarthermische Kraftwerksanlage (1), umfassend eine Gasturbineneinrichtung, in der ein in einem Kreislauf (3) zirkulierendes, durch thermische Energie erhitztes Medium zur Erzeugung elektrischer Energie durch eine Turbine (4) und nachfolgend in einen durch eine Kühleinrichtung (6) gekühlten Kondensator (5) zur Verflüssigung des Mediums geleitet wird, wobei die Kühleinrichtung (6) als eine solarbetriebene Kühleinrichtung (6) mit einem geschlossenen Kühlmittelkreislauf (7) ausgebildet ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine thermische Kraftwerksanlage, insbesondere eine solarthermische Kraftwerksanlage, umfassend eine Gasturbineneinrichtung, in der ein in einem Kreislauf zirkulierendes, durch thermische Energie erhitztes Medium zur Erzeugung elektrischer Energie durch eine Turbine und nachfolgend in einen durch eine Kühleinrichtung gekühlten Kondensator zur Verflüssigung des Mediums geleitet wird.
Kraftwerksanlagen, in denen Wärmeenergie in elektrische Energie umgewandelt wird, sind weithin bekannt. Dabei ist es üblich, durch die Wärmeenergie ein Medium zu verdampfen, wonach das verdampfte Medium eine Turbine betreibt, wodurch elektrische Energie erzeugt wird. Anschließend wird der Dampf in einem durch eine Kühleinrichtung gekühlten Kondensator wieder verflüssigt und erneut dem Verdampfer zugeführt. Es ist dabei üblich, den Kondensator insbesondere durch eine Wasserkühlung zu kühlen, also einen mit Wasser gefüllten Kühlturm vorzusehen oder das Wasser einer natürlichen Quelle in der Umgebung zu entnehmen.
Während die Verwendung klassischer Wärmequellen, beispielsweise von Kohle, weithin bekannt ist und genutzt wird, wurden in jüngster Zeit häufig auch solarthermische Kraftwerksanlagen vorgeschlagen. Darin wird als Wärmequelle gebündeltes Sonnenlicht genutzt, welches dann direkt oder indirekt im Verdampfer das Medium erwärmt. Dabei sind verschiedenste Ausgestaltungen bekannt, beispielsweise können in einem Feld aufgestellte Spiegel Sonnenlicht zu einem Sammelturm reflektieren, der dann lokal auf sehr hohe Temperaturen erhitzt werden kann. Andere Möglichkeiten sind Parabolspiegel oder insbesondere auch sogenannte Parabolrinnen, die das Sonnenlicht an einem Punkt bzw. entlang einer Strecke fokussieren und sammeln. Als Ersatz für Parabolrinnen wurde auch vorge schlagen, günstigere, flache Spiegel zu verwenden, die in verschiedenen Orientierungen unterhalb der länglichen Wärmesammeleinrichtung angeordnet sind.
Zwar wurde die Verwendung von Wärmespeichern, beispielsweise von Sand, vorgeschlagen, um kürzere oder längere Perioden ohne bzw. mit reduziertem Sonnenlichteinfall zu überbrücken, doch ist das prädestinierte Einsatzgebiet für solarthermische Kraftwerksanlagen in Regionen zu suchen, in denen eine maximale Sonnenscheindauer vorliegt, beispielsweise in Wüsten oder dergleichen. Diese Regionen zeichnen sich jedoch insbesondere dadurch aus, dass natürliche Wasservorkommen äußerst selten sind und Verluste durch verdampfendes Wasser kaum vertretbar sein dürften. Zwar besteht die Möglichkeit, anstatt eines wassergekühlten Kondensators einen luftgekühlten Kondensator zu verwenden, was jedoch den Nachteil einer sehr viel schlechteren Kühlwirkung und somit einer deutlichen Reduzierung des Wirkungsgrads des Kraftwerkes mit sich bringt.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Kraftwerksanlage so auszugestalten, dass keine natürlichen Wasservorkommen benötigt werden bzw. kein Wasserverlust auftritt.
Zur Lösung dieser Aufgabe ist bei einer Kraftwerksanlage der eingangs genannten Art erfindungsgemäß vorgesehen, dass die Kühleinrichtung als eine solarbetriebene Kühleinrichtung mit einem geschlossenen Kühlmittelkreislauf ausgebildet ist.
Dadurch wird ein völlig neues Kraftwerkskonzept beschrieben, das insbesondere in Regionen mit hoher Sonneneinstrahlung vorteilhaft eingesetzt werden kann, da eine mit Energiezufuhr beschriebene Kühleinrichtung verwendet wird, allerdings als Energiequelle die Sonne verwendet wird. Auf diese Weise ist es möglich, ohne großen Aufwand eine Kraftwerksanlage zu realisieren, in der ein Kühlmittelkreislauf, beispielsweise ein Wasserkreislauf oder ein Ölkreislauf, vorgesehen werden kann. Hierbei wird das Kühlmittel, welches wie erwähnt Wasser oder Öl sein kann, ständig in einem Kreislauf bewegt und geht nicht verloren. Das Wasser an sich wird durch eine solarbetriebene Kühleinrichtung gekühlt, wobei Hitze aus Sonnenstrahlung in Kälte umgewandelt wird.
Dabei ist die Kraftwerksanlage mit besonderem Vorteile eine solarthermische Kraftwerksanlage, die ohnehin in Regionen angewandt wird, in denen eine lange Sonnenscheindauer vorliegt.
Während es grundsätzlich denkbar ist, auf eine indirekte Art und Weise die Sonnenwärme zum Betrieb der Kühleinrichtung zu nutzen, kann in besonders zweckmäßiger Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung vorgesehen sein, dass in der solarbetriebenen Kühleinrichtung durch Sonneneinstrahlung gewonnene Sonnenwärme zum Antrieb einer Kältemaschine genutzt wird. Kältemaschinen sind grundsätzlich bekannt. Sie setzen einen thermodynamischen Kreisprozess um, bei dem Wärme unterhalb der Umgebungstemperatur aufgenommen und bei höherer Temperatur abgegeben wird. Über eine solche Kältemaschine kann die Sonnenwärme somit unmittelbar in Kälte zur Kühlung des Kondensators durch die Kühleinrichtung umgesetzt werden. Die Kühleinrichtung kann dabei eine thermoakustische Kältemaschine oder eine Stirling-Kältemaschine, insbesondere mehrere Stirling-Kältemaschinen, oder eine Absorptionskältemaschine, insbesondere eine Diffusionsabsorptionskältemaschine, sein, wobei die Absorptionskältemaschine erfindungsgemäß bevorzugt wird.
Das Prinzip der thermoakustischen Kältemaschine ist eine relativ neue Entwicklung, bei der die akustische Energie einer stehenden Schallwelle in einem geeigneten Resonator zum Wärmetransport genutzt wird. Dabei wird Wärme bzw. Kälte über die periodischen Druckschwankungen transportiert, die ein Gaspaket in einer stehenden longitudinalen Schallwelle erfährt. Die Schallwelle kann dabei beispielsweise elektromechanisch über einen Lautsprecher erzeugt werden und Wärme gegen einen Temperaturgradienten entlang eines speicherfähigen Mediums, dem sogenannten Stack, pumpen. Entlang des Stacks baut sich ein Temperaturgradient auf. Anfallende Wärme oder Kälte kann beiderseits des Stacks mit Wärmetauschern ausge koppelt werden. Eine solche thermoakustische Kältemaschine ist insbesondere vorteilhaft, da deren einzig bewegtes Teil der Schallwellenerzeuger ist.
Eine weitere Variante einer verwendbaren Kältemaschine ist die Stirling-Kältemaschine. Derartige Maschinen sind weithin bekannt und beruhen auf dem Stirlingprozess. Allerdings kann es, um die benötigte Kühlleistung zu erhalten, notwendig sein, mehrere Stirling-Kältemaschinen als Kühleinrichtung einzusetzen.
Bevorzugt eingesetzt wird allerdings eine Absorptionskältemaschine. Darin erfolgt im Gegensatz zu einer Kompressionskältemaschine die Verdichtung durch eine temperaturbeeinflusste Lösung des Kältemittels in einem Lösungsmittel. Derartiges bezeichnet man auch als einen „thermischen Verdichter”. Eine Absorptionskältemaschine verfügt auch über einen Lösungsmittelkreis. Die zwei Komponenten, Lösungsmittel und Kältemittel, werden häufig auch zusammenfassend als Arbeitsmittel bezeichnet. Voraussetzung ist, dass das Kältemittel in dem Lösungsmittel vollständig löslich ist. Häufig verwendete Kombinationen sind Wasser als Kältemittel und Lithiumbromid als Lösungsmittel oder auch Ammoniak als Kältemittel und Wasser als Lösungsmittel. Im Kreislauf werden die Arbeitsmittel zunächst in einem sogenannten Austreiber voneinander getrennt, indem die Lösung erhitzt wird. Das Kältemittel verdampft aufgrund der geringeren Verdampfungstemperatur zuerst, wonach der Dampf des Kältemittels durch einen Flüssigkeitsabscheider von den mitverdampften Lösungsmittelresten befreit wird. In einem Kondensator wird das Kältemittel verflüssigt, um im Verdampfer unter Aufnahme der Umgebungswärme verdampft zu werden, wodurch der Nutzeffekt entsteht. Der Kältemitteldampf wird dann in den Absorber geleitet, wo wiederum eine Lösung entsteht. In diesen wird das Lösungsmittel nach der Trennung vom Kältemittel eingeleitet, nachdem es durch ein Ventil auf den Absorberdruck entspannt und abgekühlt wurde. Der Lösungsmittelkreislauf ist es, der letztlich als „thermischer Ver dichter” bezeichnet wird, da er die entsprechenden Aufgaben des Verdichters der Kompressionskältemaschine übernimmt.
Eine Variante der Absorptionskältemaschine ist die sogenannte Diffusionsabsorptionskältemaschine, bei der die Druckänderung jedoch als Partialdruckänderung realisiert wird, so dass mit der Lösungsmittelpumpe auch die letzte mechanisch bewegte Komponente wegfällt. Allerdings ist eine dritte Komponente für das Arbeitsmittel erforderlich, nämlich ein Inertgas. Diffusionsabsorptionskältemaschinen benötigen somit lediglich die Zufuhr der Sonnenwärme.
Der Betrieb der Kühleinrichtung kann dabei unmittelbar durch die Sonnenwärme oder mittels eines die Sonnenwärme übertragenden Thermoöls vorgesehen sein. Dies sind die beiden grundsätzlich bekannten Methoden, die auch bei solarthermischen Kraftwerken verwendet werden. Die Sonnenwärme kann unmittelbar genutzt werden oder erst durch ein Thermoöl zum Nutzort gebracht werden.
Mit besonderem Vorteil kann vorgesehen sein, dass bei einer solarthermischen Kraftwerksanlage mit Solarkollektoren Wärme wenigstens eines Teils der Solarkollektoren zum Betrieb der Kühleinrichtung nutzbar ist. Nachdem ohnehin in einer solarthermischen Kraftwerksanlage Solarkollektoren vorgesehen sind, kann ein Teil dieser Solarkollektoren zum Betrieb der Kühleinrichtung eingesetzt werden. Im Vergleich zu heutigen solarthermischen Kraftwerksanlagen kann dabei einfach vorgesehen sein, einige zusätzliche Solarkollektoren vorzusehen, die der Kühleinrichtung zugeordnet werden.
Weitere Vorteile und Einzelheiten der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus dem im Folgenden beschriebenen Ausführungsbeispiel sowie anhand der Zeichnung. Dabei zeigt die einzige Figur eine Prinzipskizze einer solarthermischen Kraftwerksanlage gemäß der vorliegenden Erfindung.
Die Figur zeigt ein Ausführungsbeispiel einer solarthermischen Kraftwerksanlage 1 gemäß der vorliegenden Erfindung. Sie umfasst erste, dem Kraftwerksbetrieb dienende Solarkollektoren 2, die vorliegend als Parabolrinnen ausgebildet sind. Über die damit in einem zentralen Bereich über den Parabolrinnen zentrierte Sonnenwärme wird unmittelbar ein in einem Kreislauf 3 zirkulierendes Medium erhitzt und verdampft, wobei der entstehende Dampf in einer Turbine 4 in elektrische Energie umgewandelt wird. In einem Kondensator 5 wird das Medium wieder verflüssigt, wobei der Kondensator durch eine solarbetriebene Kühleinrichtung 6 gekühlt wird. Das so verflüssigte Medium wird dann wiederum verdampft, so dass der Kreislauf 3 geschlossen wird. Dabei sei angemerkt, dass es sich hier selbstverständlich nur um eine Prinzipskizze der wichtigsten Komponenten handelt; das Prinzip einer thermischen Kraftwerksanlage ist weithin bekannt und muss hier nicht im Detail dargelegt werden.
Alternativ zu der unmittelbaren Erhitzung des Mediums durch die Sonnenwärme kann im Übrigen auch vorgesehen sein, die Sonnenwärme über ein Thermoöl zu einem Verdampfer zu transportieren.
Die Kühleinrichtung 6 umfasst einen geschlossenen Kühlmittelkreislauf 7, in dem als Kühlmittel Wasser zirkuliert. Das Wasser wird durch die Kältemaschine 8, die hier als Absorptionskältemaschine ausgebildet ist, genauer als Diffusionsabsorptionskältemaschine, auf die nötigen Temperaturen abgekühlt. Die hierzu benötigte Wärme ist wiederum Sonnenwärme, die über Sonnenkollektoren 9 aufgefangen wird. Die genaue Funktion der Kältemaschine 8 ist allgemein bekannt und muss hier nicht im Detail dargelegt werden.
Es sei jedoch noch angemerkt, dass die Kältemaschine 8 auch eine Stirling-Kältemaschine oder eine thermoakustische Kältemaschine sein kann. Zudem kann die Wärme der Sonnenkollektoren 9 unmittelbar als Wärmequelle für die Kältemaschine 8 ge nutzt werden oder auch über ein Thermoöl dorthin übertragen werden.

Claims

Thermische Kraftwerksanlage, insbesondere solarthermische Kraftwerksanlage (1), umfassend eine Gasturbineneinrichtung, in der ein in einem Kreislauf (3) zirkulierendes, durch thermische Energie erhitztes Medium zur Erzeugung elektrischer Energie durch eine Turbine (4) und nachfolgend in einen durch eine Kühleinrichtung (6) gekühlten Kondensator (5) zur Verflüssigung des Mediums geleitet wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühleinrichtung (6) als eine solarbetriebene Kühleinrichtung (6) mit einem geschlossenen Kühlmittelkreislauf (7) ausgebildet ist.
Kraftwerksanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlmittel Wasser oder Öl ist.
Kraftwerksanlage nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass in der solarbetriebenen Kühleinrichtung (6) durch Sonneneinstrahlung gewonnene Sonnenwärme zum Antrieb einer Kältemaschine (8) genutzt wird.
Kraftwerksanlage nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Kältemaschine (8) eine thermoakustische Kältemaschine oder eine Stirling-Kältemaschine, insbesondere mehrere Stirling-Kältemaschinen, oder eine Absorptionskältemaschine, insbesondere eine Diffusionsabsorptionskältemaschine, ist.
Kraftwerksanlage nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Betrieb der Kühleinrichtung (6) unmittelbar durch die Sonnenwärme oder mittels eine die Sonnenwärme übertragenden Thermoöls vorgesehen ist.
Kraftwerksanlage nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer solarthermischen Kraftwerksanlage (1) mit Solarkollektoren (2, 9) zum Betrieb der Kühleinrichtung (6) Wärme wenigstens eines Teils der Solarkollektoren (2, 9) nutzbar ist.