DE102009051845A1 - Solarthermisches Hybridkraftwerk mit Klärschlammfeuerung und Meerwasserentsalzung - Google Patents

Solarthermisches Hybridkraftwerk mit Klärschlammfeuerung und Meerwasserentsalzung Download PDF

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Abstract

Es ist bekannt, mit konzentrierenden Solarkraftwerken aus Sonnenlicht elektrischen Strom zu erzeugen. Damit diese Kraftwerke aber auch bei Nacht, ohne Sonnenschein, Strom erzeugen können, ist der Stand der Technik, diese mit Hochtemperatur-Wärmespeichern auszustatten. Eine weitere Möglichkeit für die Zeit ohne Sonne bieten zusätzliche Dampferzeuger mit den Brennstoffen Erdgas und Biogas, welche als Hybrid-Kraftwerke bekannt sind. Nachteil der bisherigen Technik ist, dass lediglich die Stromerzeugung im Vordergrund steht, die anfallende Wärme ungenutzt bleibt und zum Teil kostbares Tinkwasser die Rückkühlung der Wärme verwendet wird. Dies wird gelöst durch ein Solarthermisches Hybridkraftwerk (1) mit einem Dampf-/Wasserkreislauf (3) und einer Turbineneinheit (5) und (6) mit Generator (7), dadurch gekennzeichnet, dass eine regelbare Klärschlammfeuerung (13) zur Überhitzung des solaren Wasserdampfes bei Tag und alleiniger Dampferzeugung bei Nacht nachgeschaltet ist und die Kondensationswärme aus der Turbinenstufe zur Trocknung von Klärschlamm (15) und Erzeugung von Trinkwasser in einer Meerwasserentsalzungsanlage (19) verwendet wird.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung entsprechend dem Oberbegriff des Anspruchs I.
  • Es ist bekannt, mit konzentrierenden Solarkraftwerken aus Sonnenlicht elektrischen Strom zu erzeugen. Damit diese Kraftwerke aber auch bei Nacht, ohne Sonnenschein, Strom erzeugen können, ist der Stand der Technik, diese mit Hochtemperatur-Wärmespeichern auszustatten. Eine weitere Möglichkeit für die Zeit ohne Sonne bieten zusätzliche Dampferzeuger mit den Brennstoffen Erdgas und Biogas, welche als Hybrid-Kraftwerke bekannt sind. DE 20 200 800 25 99 U1 beinhaltet zum Beispiel ein Solarkraftwerk in Kombination mit einer Biogas-Feuerung zur Wirkungsgradsteigerung und Stromerzeugung bei Nacht.
  • Aufgabe der Erfindung ist es, die anfallende Wärme aus dem Kraftwerksprozess effektiver zu nutzen, fossile Brennstoffe und hochwertige Energiequellen wie Biogas einzusparen und stattdessen menschliche Abfallstoffe aus der Abwasseraufbereitung zu verwenden. Nachteil der bisherigen Technik ist, dass lediglich die Stromerzeugung im Vordergrund steht, die anfallende Wärme ungenutzt bleibt und zum Teil kostbares Trinkwasser für die Rückkühlung der Wärme verwendet wird. So werden derzeit in Spanien Parabolrinnen-Kraftwerke betrieben und neu gebaut, welche zur Rückkühlung der Sonnenwärme jährlich Unmengen an Trinkwasser benötigen und das in einer Region, in der durch Wasser-intensive Landwirtschaft der Grundwasserspiegel bereits deutlich abgesenkt wurde.
  • Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruch I gelöst.
  • Anstatt wie bisher nur elektrischen Strom zu erzeugen, liefert die Erfindung Tag und Nacht Trinkwasser und elektrischen Strom und entsorgt dabei umweltschonend und effizient den in der Abwasseraufbereitung anfallenden Klärschlamm. Dies wird erreicht, indem ein herkömmliches Solarkraftwerk, z. B. ein Parabolrinnenkraftwerk oder ein Fresnel-Kollektor-Kraftwerk, mit einer regelbaren Klärschlammfeuerung mit hochwertiger Abgasreinigung, einer Klärschlamm-Trocknung und einer thermischen Meerwasserentsalzung kombiniert wird.
  • Das heißt, dass die Erfindung Tag und Nacht zwei durch die menschliche Zivilisation benötigte Produkte erzeugt und dabei noch ein aus dieser Zivilisation anfallendes Abfallprodukt entsorgt.
  • Folglich ist dieser Klärschlamm nicht anderweitig aufwendig zu entsorgen, bzw. schädigt nicht die Umwelt durch Deponierung oder Ausbringung auf Feldern. Hinzu kommt, dass durch diese Erfindung, die Klärschlammfeuerung die bereits vorhandenen Solarkraftwerkskomponenten zusätzlich zur Stromerzeugung nutzen kann. Dadurch wird eine höhere Anlagen-Auslastung erzielt und die Wirtschaftlichkeit der Anlage verbessert. Das Kraftwerk kann hinsichtlich der Stromerzeugung als ein Grundlast-, Mittellast- oder Spitzenlastkraftwerk gefahren werden. Dies hängt davon ab, ob die Leistung der Klärschlammfeuerung an die Solarleistung so angepasst wird, dass die Gesamtleistung über den Tag konstant gehalten wird (als Grund- und Mittellastkraftwerk), oder ob die Gesamtleistung der Erfindung einer Tages-Lastgangkurve des Stromes nachgefahren wird (als Mittel- und Spitzenlastkraftwerk), einschließlich einer nächtlichen Grundlast. Die Erfindung stellt durch die gleichzeitige Nutzung von Wärme zur Stromerzeugung und zum einen Teil der Trocknung des Klärschlammes und zum anderen Teil zur Gewinnung von Trinkwasser aus Meerwasser, eine effiziente Kraft-Wärme-Kopplung dar. Durch das geringere Rückkühlniveau der Erfindung mit Meerwasser und dem Klärschlamm, kann im Vergleich zu herkömmlichen Solarkraftwerken eine thermodynamische Wirkungsgrad-Steigerung erzielt werden. Durch die gleichzeitige Entsorgung von kostenpflichtigem Klärschlamm kann die Erfindung einen zusätzlichen Erlös zum Strom- und Trinkwasserverkauf erzielen. Mit der Klärschlammfeuerung kann nachts monovalent das Kraftwerk betrieben werden und bei Tag unterstützt sie mit reduzierter Leistung das Solarfeld. Wobei die Klärschlammfeuerung tagsüber zur Überhitzung des solar erzeugten Dampfes verwendet werden kann und somit eine weitere Wirkungsgrad-Steigerung erzielt. Denkbar ist auch, weitere feste Brennstoffe aus Biomasse oder Hausmüll zu verbrennen.
  • Die Erfindung richtet sich auf ein solarthermisches Hybrid-Kraftwerk (1) mit Klärschlammfeuerung einschliesslich hochwertiger Abgasreinigung (13), Meerwasserentsalzung (19), und einer Turbineneinheit (5) und (6) mit Generator (7). Der solarthermisch beheizte Teil, das Kollektorfeld (2) an sich, kann entweder als Parabolrinnenfeld, Fresnel-Kollektorfeld oder Turmkraftwerk ausgeführt sein und entweder über einen Wärmeträgermedium-Kreislauf, z. B. Thermoöl, verfügen oder aber als ein direktverdampfender Dampf-/Wasserkreislauf ausgeführt sein. Aufgrund des höheren Wirkungsgrades, der geringeren Verluste und den geringeren Pumpenleistungen einer Wasser-Direktverdampfung im Vergleich zu einem Wärmeträgermedium-Kreislauf, wird bei dieser Erfindung von einer Direktverdampfung z. B. in einem Fresnel-Kollektor ausgegangen. Der solarthermisch erzeugte Wasserdampf wird durch den Überhitzer (14) der Klärschlammfeuerung mit Abgasreinigung (13) geführt.
  • Der Dampfspeicher (4) dient zum Ausgleich von Dampferzeugungsschwankungen, z. B. bei Wolkendurchzug oder Nachregelung der Klärschlammfeuerung auf das Kollektorfeld.
  • Der Wasserdampf des Hybrifkraftwerkes wird danach über die mehrstufige Dampfturbine (5) und (6), z. B. mit Zwischenüberhitzung geführt, und erzeugt dadurch im Generator (7) des Kraftwerks elektrischen Strom.
  • Der geschlossene Dampfkreislauf (3) verfügt über eine Kondensationsstufe (8), einen Speisewasserbehälter (9) für das Kondensat und eine Speisewasserpumpe (10), die das Kondensat wieder auf den erforderlichen Druck bringt und den Dampferzeugern wieder zuführt. Mittels Motorventilen (11a) kann das Kollektorfeld bei Nacht aus dem Dampfkreislauf des Kraftwerks herausgeschalten werden und das Regelventil der Klärschlammfeuerung (11b) regelt die Kondensatmenge für den Dampferzeuger der Klärschlammfeuerung. Hierbei sind die erforderlichen Dampf-Sicherheitsventile und Kondensatableiter nicht dargestellt. Besonders beim nächtlichen Herunterfahren des Kollektorfeldes ist Schaden durch Kondensieren des Wasserdampfes in den Verdampferrohren durch Vakuumbrecher zu vermeiden.
  • Mit der Abwärme aus dem Kondensator (8) wird über einen Wärme-Verteiler (16), die Wärme aus dem Dampfprozess der Klärschlamm-Trocknung (15) zugeführt. In dieser wird bereits auf der Kläranlage mechanisch entwässerter und stabilisierter Klärschlamm getrocknet und dabei ein Großteil des enthaltenen Wassers verdunstet. Dabei sollte das anfallende Klärgas bereits in Kläranlage verwendet werden, wie dies z. B. mit einem Blockheizkraftwerk Stand der Technik ist. Typischerweise kann durch eine mechanische Entwässerung der Trockensubstanz-Gehalt des Klärschlamms von ca. 5–8% TR auf ca. 25% TR entwässert werden. Diese Entwässerung bereits auf der Kläranlage verhindert, dass unnötig große Mengen an Klärschlamm durch LKW-Verkehr transportiert werden. Erst in der Trocknungsanlage der Erfindung soll er dann von ca. 25% TR auf ca. 80% TR getrocknet und wenn erforderlich zwischengelagert werden. Durch die Trocknung in der Erfindung wird der Aufwand der Wärme-Rückkühlung in herkömmlichen Solarkraftwerken erheblich reduziert. Der nun getrocknete Klärschlamm kann zwischengelagert werden und automatisch, je nach erforderlicher Feuerungsleistung, der Klärschlammfeuerung (13) zugeführt werden. Um den Klärschlamm umweltfreundlich nach den akuellen Gesetzen zu verbrennen, muss die Feuerraumtemperatur mindestens 850°C betragen und die Verbrennungsgase mindestens 2 Sekunden im Brennraum verweilen, um schädlich Verbindungen zu zerstören. Direkt nach der Feuerung befindet sich der Dampferzeuger/Überhitzer (14), der mit der Hitze der Verbrennungsgase Wasserdampf erzeugt, bzw. den Wasserdampf aus dem Sonnenkollektorfeld überhitzt. Es ist denkbar, den Überhitzer vom Dampferzeuger räumlich zu trennen und nacheinander in die Abgasstrecke einzubauen.
  • Der Klärschlammfeuerung und den Dampferzeugern nachgeschaltet ist eine hocheffiziente Abgasreinigung, um Schadstoffe und Feinanteile aus dem Abgas herauszufiltern. Nach der Filterung wird das gereinigte Abgas über einen Schornstein abgeleitet.
  • Die in der Klärschlammfeuerung und der Abgasreinigung anfallende Asche wird gesammelt und entweder zur Phosphor-Rückgewinnung verwendet oder einfach deponiert. Die Phosphor-Rückgewinnung bietet sich an, da auch dieser Stoff endlich ist und zur Neige geht und andererseits reine Asche vorliegt ohne Verunreinigungen anderer Brennstoffe.
  • Als weiteres Merkmal der Erfindung wird Meerwasser (17) mittels einer Förderpumpe (18) dem Meer entnommen und einer thermischen Meerwasserentsalzung (19) zugeführt. In dieser wird mit Kraftwerks-Abwärme aus dem Kondensator (8) sauberes Trinkwasser (21) gewonnen und dies über 24 Stunden, unabhängig von Tag und Nacht. Das gewonnene Trinkwasser (21) kann in Reservoirs zwischengespeichert werden und dem örtlichen Trinkwassernetz zugeführt werden. Die bei der Meerwasserentsalzung anfallende, aufkonzentrierte Sole (20) kann dem Meerwasser-Überschuss (23) wieder zugeführt werden und wird dadurch verdünnt und zurück ins Meer geleitet. Der Meerwasser-Überschuss wird einerseits zur Verdünnung der Sole benötigt, andererseits um die rerstliche Abwärme aus dem Kondensator (8) in einem Meerwasser-Wärmetauscher (22) rückzukühlen. Der Volumenstrom des Meerwasserüberschusses, bzw. die Auslegung der Anlage, muss so gewählt werden, dass eine übermäßige Erwärmung dieses rückgeführten Meerwassers über eine biologisch verträgliche Temperatur vermieden wird.
  • Die Erfindung erzeugt unter Nutzung der Sonnenenergie und Entsorgung des Abfallproduktes Klärschlamm, hochwertigen elektrischen Strom und wertvolles Trinkwasser. Gerade auf Inseln, z. B. im Mittelmeer, sind Strom und sauberes Trinkwasser ein begehrtes Gut und die Entsorgung von Klärschlamm ein Problem. Hinzu kommt, dass aufgrund des Tourismus auf solchen Inseln häufig die drei Komponenten dieser Erfindung, also Strom, Trinkwasser und Klärschlammaufkommen, saisonal besonders stark beeinflusst werden. Besonders in Landstrichen, bzw. Regionen mit sehr viel Sonneneinstrahlung, ist das Trinkwasser sehr wertvoll und lebensnotwendig. So könnten z. B. durch die Erfindung viele Inseln im Mittelmeer, bzw. weltweit und weite Teile Afrikas oder Australiens mit Zugang zum Meer, mit Trinkwasser und Elektrizität versorgt werden und dies Tag und Nacht.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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  • Zitierte Patentliteratur
    • DE 202008002599 U1 [0002]

Claims (5)

  1. Solarthermisches Hybridkraftwerk (1) mit einem Dampf-/Wasserkreislauf (3) und einer Turbineneinheit (5) und (6) mit Generator (7), dadurch gekennzeichnet, dass eine regelbare Klärschlammfeuerung (13) zur Überhitzung des solaren Wasserdampfes bei Tag und alleiniger Dampferzeugung bei Nacht nachgeschaltet ist und die Kondensationswärme aus der Turbinenstufe zur Trocknung von Klärschlamm (15) und Erzeugung von Trinkwasser in einer Meerwasserentsalzungsanlage (19) verwendet wird.
  2. Solarthermisches Hybridkraftwerk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Tag und Nacht, unabhängig von der Sonne, elektrischer Strom und sauberes Trinkwasser erzeugt und Klärschlamm entsorgt wird.
  3. Solarthermisches Hybridkraftwerk nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zur Rückkühlung der restlichen Abwärme Meerwasser (22) verwendet wird.
  4. Solarthermisches Hybridkraftwerk nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Wärmeträgermedium flüssig und/oder dampfförmig, insbesondere Wasser oder Thermoöl ist.
  5. Solarthermisches Hybridkraftwerk nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Solarteil (2) des Kraftwerks entweder mit Parabolrinnen-Kollektoren oder Fresnel-Kollektoren oder Turm-Receiverkollektoren ausgebildet ist.
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