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Abstract

Vorrichtung zur thermischen Kopplung, umfassend ein Dampfkraftwerk (1), enthaltend einen Dampferzeuger (2) verbunden mit einer Dampfturbine (4) und einem Kondensator (6), zum Antreiben eines Generators (10), ein Druckluftspeicherkraftwerk (11), enthaltend einen Kompressor (12) verbunden mit einem Druckluftbehälter (14) und einer Druckluftturbine (18), zum Antreiben eines Generators (20).Device for thermal coupling, comprising a steam power plant (1) containing a steam generator (2) connected to a steam turbine (4) and a condenser (6) for driving a generator (10), a compressed air storage power plant (11) containing a compressor ( 12) connected to a compressed air tank (14) and a compressed air turbine (18) for driving a generator (20).

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur thermischen Kopplung von Dampfkraftwerken mit Druckluftspeicherkraftwerken mit den Merkmalen des Anspruchs 1.The invention relates to a device for the thermal coupling of steam power plants with compressed air storage power plants with the features of claim 1.

Die DE 42 34 393 C1 offenbart eine Vorrichtung zum Verdichten eines Gases mittels eines durch die Nutzseite einer Wärmekraftmaschine angetriebenen Verdichters. Außerdem ist ein Turbolader vorgesehen, welcher das Gas vor Eintritt in den Verdichter vorverdichtet und/oder nach Austritt aus dem Verdichter nachverdichtet. Zwecks Erhöhung des Wirkungsgrads wird gemäß der DE 42 34 393 C1 mit dem Abgasstrom der Wärmekraftmaschine eine unter Druck stehende Flüssigkeit verdampft und überhitzt, und der überhitzte Dampf wird der Antriebsseite des Turboladers zugeführt.The DE 42 34 393 C1 discloses an apparatus for compressing a gas by means of a compressor driven by the payload side of a heat engine. In addition, a turbocharger is provided which precompresses the gas prior to entry into the compressor and / or after-compression from the compressor. In order to increase the efficiency is according to the DE 42 34 393 C1 vaporized and superheated with the exhaust stream of the heat engine, a pressurized liquid, and the superheated steam is supplied to the drive side of the turbocharger.

Die EP 0 293 206 A1 offenbart einen thermodynamischen Kreislauf mit einer Druckluftturbine, einem Kompressor, einem Gasofen und mehreren Wärmetauschervorrichtungen.The EP 0 293 206 A1 discloses a thermodynamic cycle with a compressed air turbine, a compressor, a gas furnace and a plurality of heat exchanger devices.

Aus der EP 0 117 667 B1 ist eine Kraftanlage bekannt, welche eine Kombination aus einer Dampfturbine und einem kohlebefeuerten Dampfkessel umfasst.From the EP 0 117 667 B1 a power plant is known which comprises a combination of a steam turbine and a coal-fired steam boiler.

Die US 5,165,239 offenbart ein indirekt geheiztes Gasturbinensystem, bei welchem eine Wasserzugabe zwecks Leistungserhöhung erfolgt.The US 5,165,239 discloses an indirectly heated gas turbine system in which water is added to increase power.

Es ist bekannt, der Energiehunger in der Welt wird steigen. Die Erdöl- und Erdgasvorkommen gehen bald zur Neige. Fossile Brennstoffe wie Erdöl, Kohle und Erdgas werden weiterhin genutzt. Neubauten von Kohle- und Atomkraftwerken werden leider wieder aktuell. Das sind keine guten Aussichten zur Reduzierung von CO2 und zur Bremsung der Erderwärmung.It is known that the hunger for energy in the world will increase. The oil and gas deposits are about to run out soon. Fossil fuels such as oil, coal and natural gas continue to be used. Unfortunately, new builds of coal and nuclear power plants are becoming current again. These are not good prospects for reducing CO2 and stopping global warming.

Viele Kraftwerke haben einen miserablen Wirkungsgrad.
Zitat aus http://de.wikipedia.org/wiki/Wärmekraftwerk:
„Wird die Abwärme nicht zum Heizen verwendet, liegt der Wirkungsgrad eines heutigen Kraftwerkes typischerweise zwischen 30% und 45%.” In China bei 23%. „Viele Wärmekraftwerke nutzen zur Kühlung das Wasser vorbeifließender Flüsse. Das erspart den Kühlturm mit seinen vielen Nachteilen ...”.Many power plants have a miserable efficiency.
Quote from http://de.wikipedia.org/wiki/Härmekraftwerk:
"If the waste heat is not used for heating, the efficiency of today's power plant is typically between 30% and 45%." In China, at 23%. "Many thermal power plants use the water of passing rivers for cooling. This saves the cooling tower with its many disadvantages ... ".

Windkraftanlagen verstärken das Problem der notwendigen Energiespeicherung, und sie müssen bei Überkapazitäten im Stromnetz zeitweise abgeschaltet werden. Es fehlen große Energiespeicher und umweltschonende, billig zu bauende Spitzenlastkraftwerke.Wind turbines increase the problem of the necessary energy storage, and they have to be temporarily switched off in case of excess capacity in the power grid. It lacks large energy storage and environmentally friendly, cheap to build peak load power plants.

Die gesuchte Vorrichtung soll sich vor allem durch eine möglichst effiziente Ausnutzung der zur Verfügung stehenden Energiequellen auszeichnen, auch auf verschiedene Energiequellen variabel zurückgreifen können und die Probleme Energiespeicherung und Stromspitzenlasten lösen helfen. Die genannten Nachteile können damit beseitigt oder zumindest nachhaltig minimiert werden.The sought-after device should be distinguished, above all, by the most efficient utilization of the available energy sources, can also resort to variable sources of energy and help solve the problems of energy storage and peak loads. The disadvantages mentioned can thus be eliminated or at least minimized sustainably.

Es besteht somit die Aufgabe, die Abwärme von Dampfkraftwerken zu nutzen und ihren Wirkungsgrad auf etwa 70% zu erhöhen. Das kann durch eine Vorrichtung zur thermischen Kopplung von Dampfkraftwerken mit Druckluftspeicherkraftwerken erreicht werden. Der Wirkungsgrad von Druckluftspeicherkraftwerken kann dadurch ebenfalls auf etwa 70% gesteigert werden. Bei Druckluftspeicherkraftwerken muss bei Expansion der Luft wieder Wärme zugeführt werden, um eine Vereisung der Turbinen zu vermeiden. Die Wärmezufuhr kann also durch Dampfkraftwerke erfolgen, eine Kombination Druckluftkraftwerke mit Gasturbinenkraftwerken kann damit entfallen.It is therefore the task to use the waste heat of steam power plants and increase their efficiency to about 70%. This can be achieved by a device for the thermal coupling of steam power plants with compressed air storage power plants. The efficiency of compressed air storage power plants can also be increased to about 70%. For compressed air storage power plants, heat must be re-supplied as the air expands to avoid icing of the turbines. The heat can thus be done by steam power plants, a combination of compressed air power plants with gas turbine power plants can be eliminated.

In einer zweckmäßigen Ausführungsform können beispielsweise den Kohlekraftwerken und den Atomkraftwerken Druckluftspeicherkraftwerke zugeordnet werden.In an expedient embodiment, for example, the coal power plants and the nuclear power plants compressed air storage power plants can be assigned.

In einer weiteren zweckmäßigen Ausführungsform kann auch meine Patentanmeldung 10 2009 056 596.5 Wellenkraftwerk, Priorität 31.08.2009, zur Anwendung kommen. Dieses Wellenkraftwerk erzeugt ebenfalls Druckluft und Dampf.In a further expedient embodiment, my patent application 10 2009 056 596.5 wave power plant, priority 31.08.2009, come to be used. This wave power plant also generates compressed air and steam.

In einer weiteren zweckmäßigen Ausführungsform wird Druckluft in wärmegedämmten Druckluftbehältern und/oder in Kavernen bei etwa 46 bis 72 bar gespeichert.In a further expedient embodiment, compressed air is stored in thermally insulated compressed air tanks and / or in caverns at about 46 to 72 bar.

In einer weiteren zweckmäßigen Ausführungsform wird die Wärme der komprimierten Druckluft in einem Feststoffspeicher zwischengespeichert.In a further expedient embodiment, the heat of the compressed compressed air is temporarily stored in a solids store.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung soll nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert werden. Zur Verdeutlichung dient die beigefügte 1. Es zeigt eine beispielhafte Gesamtdarstellung der erfindungsgemäßen Vorrichtung. Erfindungsgemäß umfasst die Vorrichtung eine Kombination bzw. thermische Kopplung von Dampfkraftwerken 1 und Druckluftspeicherkraftwerken 11 einschließlich Speicher für Dampf bzw. Heißwasser 15 und Druckluft 14.The device according to the invention will be explained in more detail using an exemplary embodiment. For clarification, the attached serves 1 , It shows an exemplary overall representation of the device according to the invention. According to the invention, the device comprises a combination or thermal coupling of steam power plants 1 and compressed air storage power plants 11 including storage for steam or hot water 15 and compressed air 14 ,

Bei dem Dampfkraftwerk 1 treibt Dampf 3 die Dampfturbine 4 an. Entspannter Dampf 5 aus der Dampfturbine 4 wird am Druckluftspeicherkraftwerk 11 zur Druckluftturbine 18 geführt und erwärmt diese. Erst dann wird der entspannte Dampf in den Kondensator 6 geleitet. Über die Speisepumpe 8 erfolgt die Zuführung des Wassers 9 zum Dampferzeuger 2 und schließt den thermodynamischen Kreislauf.At the steam power plant 1 drives steam 3 the steam turbine 4 at. Relaxed steam 5 from the steam turbine 4 becomes at the compressed air storage power plant 11 to the compressed air turbine 18 Guided and warms these. Only then is the relaxed steam in the condenser 6 directed. About the feed pump 8th the supply of water takes place 9 to the steam generator 2 and closes the thermodynamic cycle.

Bei dem Druckluftspeicherkraftwerk 11 erzeugt ein Kompressor 12 erhitzte Druckluft 13, die in einem Druckluftbehälter 14 gespeichert wird. Die Wärme der komprimierten Druckluft wird durch thermische Kopplung in einem Dampfbehälter 15 gespeichert und Dampf erzeugt. Dazu wird das Wasser 9 aus dem Dampfkraftwerk 1 im Dampfbehälter 15 zu Dampf 16 erhitzt und im Kreislauf der Dampfturbine 4 zugeführt. Die Druckluftturbine 18 erzeugt expandierte Kaltluft 19, diese wird zum Kondensator 6 geführt und dient zur Kühlung und Kondensation des entspannten Dampfes 5. Dampfturbine 4 und Druckluftturbine 18 treiben über Wellen 4a und 18a Generatoren 10 und 20 an.At the compressed air storage power plant 11 creates a compressor 12 heated compressed air 13 in a compressed air tank 14 is stored. The heat of the compressed air is generated by thermal coupling in a steam tank 15 stored and generates steam. This is the water 9 from the steam power plant 1 in the steam tank 15 to steam 16 heated and in the cycle of the steam turbine 4 fed. The compressed air turbine 18 generates expanded cold air 19 , this becomes the capacitor 6 guided and serves for cooling and condensation of the expanded steam 5 , steam turbine 4 and compressed air turbine 18 drifting over waves 4a and 18a generators 10 and 20 at.

Die Vorrichtung kann wie folgt betrieben werden:
dem Neubau eines Kohlekraftwerkes 1 wird ein Druckluftspeicherkraftwerk 11 funktionell zugeordnet. Durch thermische Kopplung wie beschrieben und in 1 dargestellt werden hohe Gesamtwirkungsgrade für das Kohlekraftwerk und das Druckluftspeicherkraftwerk erreicht.The device can be operated as follows:
the new construction of a coal power plant 1 becomes a compressed air storage power plant 11 functionally assigned. By thermal coupling as described and in 1 High overall efficiency levels for the coal-fired power plant and the compressed-air storage power plant are achieved.

Bei dem Druckluftspeicherkraftwerk 11 wird der Kompressor 12 beispielsweise mit billigem Nachtstrom oder mit der Überkapazität im Stromnetz betrieben, dadurch wird Druckluft in Druckluftbehältern 14 für mindestens 24 Stunden gespeichert. Das Druckluftspeicherkraftwerk 11 kann so durchgehend betrieben werden und mit dem Kohlekraftwerk 1 thermisch gekoppelt dauerhaft arbeiten.At the compressed air storage power plant 11 becomes the compressor 12 For example, operated with cheap night electricity or over-capacity in the power grid, this compressed air is in compressed air tanks 14 stored for at least 24 hours. The compressed air storage power plant 11 can be operated as continuous and with the coal power plant 1 thermally coupled work permanently.

Die Vorteile der Vorrichtung sind:

  • – die Gesamtwirkungsgrade von Dampfkraftwerken und Druckluftspeicherkraftwerken erhöhen sich enorm auf etwa je 70%
  • – Druckluftspeicherkraftwerke nutzen Nachtstrom und sorgen deshalb für einen Ausgleich von Stromspitzenlast zu Stromgrundlast
  • – Druckluftspeicherkraftwerke, auch Wellenkraftwerke, die mit Druckluft arbeiten, können Überkapazitäten im Stromnetz zur Speicherung von Druckluft nutzen
  • – der Transport von Druckluft in Rohren ist rentabel
  • – durch Umlaufkühlung wird stets das gleiche Wasser verwendet, es entstehen keine Reinigungskosten für neues Kühlwasser; Kühltürme entfallen
  • – durch die thermische Kopplung sind bedeutend weniger Kraftwerkskapazitäten notwendig
The advantages of the device are:
  • - The overall efficiency of steam power plants and compressed air storage power plants increases enormously to approximately 70% each
  • - Compressed air storage power plants use night-time electricity and therefore compensate for peak current load to basic electricity load
  • - Compressed air storage power plants, also wave power plants that work with compressed air, can use excess capacity in the power grid for storing compressed air
  • - The transport of compressed air in pipes is profitable
  • - By circulation cooling always the same water is used, there are no cleaning costs for new cooling water; Cooling towers omitted
  • - Due to the thermal coupling considerably less power plant capacities are necessary

Die Erfindung wurde anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert. Im Rahmen fachmännischen Handelns sind eine Reihe weiterer Ausführungsformen möglich, die im Bereich des erfindungsgemäßen Grundgedankens verbleiben. Weitere Ausführungsformen ergeben sich insbesondere aus den Unteransprüchen.The invention has been explained in more detail with reference to an embodiment. In the context of expert action, a number of other embodiments are possible, which remain within the scope of the inventive concept. Further embodiments emerge in particular from the subclaims.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

11
DampfkraftwerkSteam power plant
22
Dampferzeuger/DampfbehälterSteam generator / vapor canister
33
Dampfsteam
44
Dampfturbinesteam turbine
4a4a
Wellewave
55
entspannter Dampfrelaxed steam
66
Kondensatorcapacitor
77
Kondenswassercondensation
88th
Speisepumpefeed pump
99
Wasserwater
1010
Generatorgenerator
1111
DruckluftspeicherkraftwerkCompressed air energy storage
1212
Kompressorcompressor
1313
Druckluftcompressed air
1414
Druckluftbehälter/DruckluftspeicherAir receiver / compressed air storage
1515
Dampfbehälter/DampfspeicherSteam vessel / steam accumulator
1616
Dampfsteam
1717
Druckluftcompressed air
1818
DruckluftturbineAir turbine
18a18a
Wellewave
1919
expandierte Kaltluftexpanded cold air
2020
Generatorgenerator

Claims (10)

Vorrichtung zur thermischen Kopplung, umfassend ein Dampfkraftwerk (1), enthaltend einen Dampferzeuger (2) verbunden mit einer Dampfturbine (4) und einem Kondensator (6), zum Antreiben eines Generators (10), ein Druckluftspeicherkraftwerk (11), enthaltend einen Kompressor (12) verbunden mit einem Druckluftbehälter (14) und einer Druckluftturbine (18), zum Antreiben eines Generators (20).Device for thermal coupling, comprising a steam power plant ( 1 ) containing a steam generator ( 2 ) connected to a steam turbine ( 4 ) and a capacitor ( 6 ), to power a generator ( 10 ), a compressed air storage power plant ( 11 ) containing a compressor ( 12 ) connected to a compressed air tank ( 14 ) and a compressed air turbine ( 18 ), to power a generator ( 20 ). Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Druckluft und Dampf erzeugende Wellenkraftwerke als Druckluftkraftwerk (11) und/oder als Dampfkraftwerk (1) gelten.Apparatus according to claim 1, characterized in that compressed air and steam generating wave power plants as a compressed air power plant ( 11 ) and / or as a steam power plant ( 1 ) be valid. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Druckluftbehälter (14) zur Bevorratung der komprimierten erhitzten Luft einen Dampfbehälter (15) in thermischer Kopplung aufweist.Device according to one of claims 1 or 2, characterized in that the compressed air tank ( 14 ) for storing the compressed heated air a steam tank ( 15 ) in thermal coupling. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Dampfbehälter (15) mit Wasser (9) vom Dampfkraftwerk (1) versorgt wird und Dampf (16) an die Dampfturbine (4) abgibt. Device according to one of the preceding claims, characterized in that the steam container ( 15 ) with water ( 9 ) from the steam power plant ( 1 ) and steam ( 16 ) to the steam turbine ( 4 ). Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass entspannter Dampf (5) aus der Dampfturbine (4) zur Erwärmung der Druckluftturbine (18) genutzt und anschließend in den Kondensator (6) geleitet wird.Device according to one of the preceding claims, characterized in that relaxed steam ( 5 ) from the steam turbine ( 4 ) for heating the compressed air turbine ( 18 ) and then into the condenser ( 6 ). Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kondensator (6) durch die aus der Druckluftturbine (18) austretende entspannte Luft (19) kühlbar ausgebildet ist.Device according to one of the preceding claims, characterized in that the capacitor ( 6 ) by the from the compressed air turbine ( 18 ) exiting relaxed air ( 19 ) is formed coolable. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Druckluftbehälter (14) und der Dampfbehälter (15) wärmegedämmt sind und als Wärmespeicher dienen.Device according to one of the preceding claims, characterized in that the compressed air tank ( 14 ) and the steam tank ( 15 ) are thermally insulated and serve as a heat storage. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kompressor (12) zur Kühlung in den Dampfkreislauf geschaltet ist.Device according to one of the preceding claims, characterized in that the compressor ( 12 ) is connected for cooling in the steam cycle. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Dampfturbine (4) und/oder die Druckluftturbine (18) eine zuschaltbare Schwungradvorrichtung zum Speichern von Rotationsenergie aufweist.Device according to one of the preceding claims, characterized in that the steam turbine ( 4 ) and / or the compressed air turbine ( 18 ) has a switchable flywheel device for storing rotational energy. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Dampfturbine (4) und die Druckluftturbine (18) zum Antreiben eines Generators wirken.Device according to one of the preceding claims, characterized in that the steam turbine ( 4 ) and the compressed air turbine ( 18 ) act to drive a generator.
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