DE102010028819B4

DE102010028819B4 - Verfahren zur Umwandlung von Energie kohlenstoffhaltiger Einsatzstoffe in Nutzenergie sowie Gasmotor- und Dampf-Kombikraftwerk und Brennstoffzellen- und Dampf-Kombikraftwerk zur Durchführung des Verfahrens

Info

Publication number: DE102010028819B4
Application number: DE201010028819
Authority: DE
Inventors: Markus Zankl; Georg Gallmetzer
Original assignee: Highterm Research GmbH
Current assignee: Highterm Research GmbH
Priority date: 2010-05-10
Filing date: 2010-05-10
Publication date: 2012-02-16
Anticipated expiration: 2030-05-11
Also published as: DE102010028819A1

Abstract

Ein Verfahren zur Umwandlung von Energie kohlenstoffhaltiger Einsatzstoffe in Nutzenergie umfasst die Schritte: Erzeugen eines Produktgases durch endotherme Umsetzung erster kohlenstoffhaltiger Einsatzstoffe, Erzeugen der für die Erzeugung des Produktgases notwendigen thermischen Energie durch exotherme Umsetzung zweiter kohlenstoffhaltiger Einsatzstoffe, Abkühlen des Produktgases in einem Produktgas-Kühlschritt, Verbrennen des in dem Produktgas-Kühlschritt abgekühlten Produktgases in einem Produktgas-Verbrennungsschritt zur Umwandlung einer in dem abgekühlten Produktgas enthaltenen chemischen Energie in eine erste Nutzenergie, wobei der Produktgas-Verbrennungsschritt in einem Gasmotor durchgeführt wird, Mischen eines bei der Verbrennung des abgekühlten Produktgases erzeugten Abgases mit einem durch die exotherme Umsetzung der zweiten kohlenstoffhaltigen Einsatzstoffe erzeugten Rauchgas in einem Misch-Schritt zu einem Gasgemisch, Abkühlen des Gasgemisches in einem Gasgemisch-Kühlschritt, Erzeugen eines Arbeitsmitteldampfes in einem Verdampfungsschritt durch Verdampfen von flüssigem Arbeitsmittel durch eine bei der Abkühlung von dem Produktgas und/oder dem Gasgemisch abgeführte Wärme, und Umwandeln der in dem Arbeitsmitteldampf enthaltenen Energie in eine zweite Nutzenergie durch eine Gasturbine.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Umwandlung von Energie kohlenstoffhaltiger Einsatzstoffe in Nutzenergie sowie zum einen, nachfolgend als Variante I. bezeichnet, ein Gasmotor- und Dampf-Kombikraftwerk und zum anderen, nachfolgend als Variante II. bezeichnet, ein Brennstoffzellen- und Dampf-Kombikraftwerk zur Durchführung des Verfahrens.
Durch die Knappheit ökologischer Resourcen besteht eine dringende Notwendigkeit, diese möglichst effizient zu nutzen, bekannte Verfahren hierzu zu verbessern und neue zu entwickeln. Große Anstrengungen werden daher zum Beispiel unternommen, um das Konzept der Kraft-Wärme-Kopplung – d. h. die gleichzeitige Gewinnung mechanischer und thermischer Energie als Nutzenergie in einem Heizkraftwerk – zum Beispiel durch optimierte Führung der Energieströme und Ausnutzung der in Teilprozessen entstandenen Abwärmen zu verbessern.
Hierzu ist es bekannt, ein so genanntes Gas- und Dampf-Kombikraftwerk, aus historischen Gründen zunächst mit GUD, später mit GuD abgekürzt, zu verwenden, wobei ein Gasturbinenkraftwerk mit einem Dampfkraftwerk gekoppelt wird. Wie es bei Energieanlagen meistens der Fall ist, besteht die letzte in einer Reihe von Energieumwandlungen in der Umwandlung der mechanischen Energie einer Turbine in elektrische. Während in einem Gasturbinenkraftwerk die Turbine durch Gas angetrieben wird (Gasturbine), geschieht dies in einem Dampfkraftwerk durch Ausnutzung von Wasserdampf (Dampfturbine).
Es ist ferner bekannt, den Wirkungsgrad eines solchen GuD dadurch zu erhöhen, dass auch der Gasturbinenprozess um einen so genannten Clausius-Rankine-Prozess (kurz „Rankine-Prozess”) erweitert wird, der, wie es stets bei Wärmekraftmaschinen der Fall ist, einen rechtslaufenden Kreisprozess durchläuft und der Dampfkraftanlagen im Allgemeinen zugrunde liegt. Die auf diese Weise erzielte Erhöhung des Wirkungsgrades setzt somit auf der Gasturbinenseite an. Dies ist jedoch im kleinen Leistungsbereich von Nachteil, da Gasturbinen hier einen sehr niedrigen Wirkungsgrad besitzen. Zudem arbeiten Gasturbinen zur Einhaltung von Emissionsgrenzwerten bei einem sehr hohen Luftverhältnis λ.
Aus der DE 10 2007 024 996 A1 ist ein „Verfahren zum Betrieb eines Biogaskraftwerks, sowie ein Biogaskraftwerk selbst” bekannt, mit dem Ziel, den Gesamtwirkungsgrad durch Ausnutzung von Abwärmen zu erhöhen. In der DE 196 53 901 A1 ist ein „Verfahren und eine Vorrichtung zur autothermen Vergasung von Festbrennstoffen und Verwertung von Generatorgas in Gasmaschinen sowie zur Prozesssteuerung des Gesamtsystems aus Gasgenerator, Gaswäsche und Gasmaschinenbetrieb in Echtzeit” offenbart. Die DE 196 53 901 A1 verfolgt das Ziel, den Prozess einer thermochemischen Biogaserzeugung so zu führen, dass immer ein optimales Gas für den Einsatz in einem Gasmotor erzeugt und die anschließende Umsetzung darin durch eine Prozesssteuerung in Echtzeit erreicht wird. In der DE 39 13 322 A1 ist ein „Kombikraftwerk mit allothermer Kohlevergasung und Hochtemperatur-Brennstoffzelle” beschrieben, in dem ein bei einer allothermen Kohlevergasung entstandenes Kohlegas nach einer entsprechenden Reinigung einer Brennstoffzelle zugeführt wird. In der US 2003/017556 A1 ist ein Verfahren beschrieben, in dem ein zum Betrieb einer Brennstoffzelle erforderliches Gas einer Biogasanlage entnommen wird. Die Abwärme der Brennstoffzelle wiederum wird verwendet, um die Biomasse der Biogasanlage umzusetzen.
Es ist somit eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren und ein dieses durchführendes Kraftwerk bereitzustellen, das einen im Vergleich zu einem herkömmlichen GuD erhöhten Wirkungsgrad besitzt und die oben beschriebenen Nachteile, die sich aus der Kombination GuD plus Rankine-Prozess ergeben, vermeidet.
Die Aufgabe wird durch die Merkmale der Ansprüche 1 oder 11 (Verfahren) bzw. 8 oder 15 (Vorrichtung) gelöst, wobei Die Ansprüche 1 und 8 der oben erwähnten Variante I. und die Ansprüche 11 und 15 der oben erwähnten Variante II. entsprechen.
Gemäß der vorliegenden Erfindung (Anspruch 1) umfasst ein Verfahren zur Umwandlung von Energie kohlenstoffhaltiger Einsatzstoffe in Nutzenergie die Schritte: (a) Erzeugen eines Produktgases durch endotherme Umsetzung erster kohlenstoffhaltiger Einsatzstoffe, (b) Erzeugen der für die Erzeugung des Produktgases notwendigen thermischen Energie durch exotherme Umsetzung zweiter kohlenstoffhaltiger Einsatzstoffe, (c) Abkühlen des Produktgases in einem Produktgas-Kühlschritt, (d) Verbrennen des in dem Produktgas-Kühlschritt abgekühlten Produktgases in einem Produktgas-Verbrennungsschritt zur Umwandlung einer in dem abgekühlten Produktgas enthaltenen chemischen Energie in eine erste Nutzenergie, (e) wobei der Produktgas-Verbrennungsschritt in einem Gasmotor durchgeführt wird, (f) Mischen eines bei der Verbrennung des abgekühlten Produktgases erzeugten Abgases mit einem durch die exotherme Umsetzung der zweiten kohlenstoffhaltigen Einsatzstoffe erzeugten Rauchgas in einem Misch-Schritt zu einem Gasgemisch, (g) Abkühlen des Gasgemisches in einem Gasgemisch-Kühlschritt, (h) Erzeugen eines Arbeitsmitteldampfes in einem Verdampfungsschritt durch Verdampfen von flüssigem Arbeitsmittel durch eine bei der Abkühlung von dem Produktgas und/oder dem Gasgemisch abgeführte Wärme, und (i) Umwandeln der in dem Arbeitsmitteldampf enthaltenen Energie in eine zweite Nutzenergie durch eine Gasturbine.
Das gegenüber dem oben kurz referierten Stand der Technik Wesentliche des erfindungsgemäßen Verfahrens (a)–(i) ist Schritt (e), d. h. die Tatsache, dass ein Gasmotor in der oben genannten Weise in den Gesamtprozess integriert ist, woraus sich die Kombination Gasmotor + Dampfprozess statt Gasturbine + Dampfprozess ergibt. Dies ist deshalb vorteilhaft, weil ein Gasmotor aufgrund seiner Verbrennung bei niedrigerem Luftverhältnis λ – also bei vergleichsweise fettem Gemisch – bei gleicher Leistung höhere Abgastemperaturen zur Verfügung stellen kann als eine Gasturbine, was die Nutzung von Abwärme für den gekoppelten Dampfkraftprozess erleichtert. Somit kann trotz der grundsätzlichen Ähnlichkeit zwischen einem GuD-Kombikraftwerk und einem durch Austausch der Gasturbine des GuD-Kombikraftwerks durch einen Gasmotor gewonnenen „Gasmotor-und-Dampf-Kombikraftwerk (GMuD)” mit optimierter Wärmekopplung ein im Gegensatz zum GuD höherer elektrischer Gesamtwirkungsgrad erreicht werden. Schritt (c) dient dazu, einen in Abhängigkeit von der Zündtemperatur, der Verdichtung und der Gasqualität des Produktgases – einem Wasserstoff-reichen Gas mit z. B. etwa 40% H₂, 25% CO und geringeren Anteilen von CO₂ und CH₄ – optimalen Betrieb des Gasmotors zu gewährleisten. In Schritt (f) wird das Abgas aus dem Gasmotor mit einem als Rauchgas bezeichneten Abgas aus der Brennkammer zu einem Gasgemisch gemischt. Beide Abgase resultieren aus exothermen Verbrennungsreaktionen und enthalten als Hauptbestandteile N₂, CO₂ und H₂O. In dem erfindungsgemäßen Verfahren werden daher kohlenstoffhaltige Einsatzstoffe auf zwei Wegen in Nutzenergie umgewandelt: Zum einen über die Erzeugung eines Produktgases, das zur Verbrennung einem Gasmotor zugeführt wird, und zum anderen über die Nutzung der entstehenden Abwärme, die zur Verdampfung des flüssigen Arbeitsmittels verwendet wird. Obwohl der Gasmotor grundsätzlich sowohl ein Dieselmotor als auch ein Ottomotor sein kann, kommt erfindungsgemäß vorteilhafterweise ein Ottomotor zum Einsatz, da sich bei diesem der Zündzeitpunkt präziser einstellen lässt.
Gemäß einem vorteilhaften Aspekt nach Anspruch 2 der vorliegenden Erfindung wird die Temperatur des Rauchgases vor dem Misch-Schritt in einem Rauchgas-Kühlschritt auf die Temperatur des Abgases abgekühlt und der Arbeitsmitteldampf durch Abwärme aus dem Rauchgas-Kühlschritt erzeugt. Diese zusätzliche, dem Misch-Schritt vorangestellte Kühlung des Rauchgases hat den Vorteil, dass durch die zweistufige Abkühlung des Rauchgases der Gesamtwirkungsgrad erhöht ist, der sich – bezogen auf die Nutzung der jeweiligen Abwärmen zur Erhöhung der Temperatur des flüssigen Arbeitsmittels – additiv aus den Teilwirkungsgraden zusammensetzt, deren Obergrenze jeweils durch den Carnot'schen Wirkungsgrad gegeben ist. Insbesondere ergibt sich, wenn die Temperatur (jeweils in K) des Rauchgases mit T₁, die des Abgases des Gasmotors mit T₂ und die des Gasgemisches nach dem Gasgemisch-Kühlschritt mit T₃ bezeichnet ist, ohne den Rauchgas-Kühlschritt ein maximaler (Carnot'scher) Wirkungsgrad von η = 1 – T₃/T_m, wobei T_m die von den jeweiligen Wärmekapazitäten abhängige Mischtemperatur mit T₁ > T_m > T₂ ist. Während sich mit dem Rauchgas-Kühlschritt ein Gesamtwirkungsgrad von η_ges = η₁ + η₂ = (1 – T₂/T₁) + (1 – T₃/T₂) ergibt.
Gemäß einem vorteilhaften Aspekt nach Anspruch 3 der vorliegenden Erfindung wird das abgekühlte Produktgas vor dem Verbrennungsschritt in einem Produktgas-Aufarbeitungsschritt weiter abgekühlt und der Arbeitsmitteldampf durch Abwärme aus dem Produktgas-Aufbereitungsschritt erzeugt. Ferner wird gemäß einem vorteilhaften Aspekt nach Anspruch 4 der vorliegenden Erfindung das abgekühlte Gasgemisch in einem zweiten Gasgemisch-Kühlschritt weiter abgekühlt und der Arbeitsmitteldampf durch Abwärme aus dem Gasgemisch-Kühlschritt erzeugt. Hierbei bedeutet eine „Erzeugung des Arbeitsmitteldampfes durch eine entsprechende Abwärme”, dass durch die entsprechende Abwärme entweder direkt das Arbeitsmittel verdampft wird oder durch sie nur eine Temperaturerhöhung/Vorerwärmung des Arbeitsmittels in einem mehrstufigen Prozess zur Erzeugung des Arbeitsmitteldampfes erreicht wird. Beiden vorteilhaften Aspekten – Anspruch 3 und Anspruch 4 – liegen die gleichen thermodynamischen Gesetzmäßigkeiten hinsichtlich des thermischen Wirkungsgrades zugrunde wie bei der Abkühlung des Rauchgases. Auch hier führen mehrere Abkühlungsstufen des Produktgases (Anspruch 3) bzw. des Gasgemisches (Anspruch 4) mit entsprechenden Wärmeübertragungen auf das flüssige Arbeitsmittel dazu, dass der Wirkungsgrad gegenüber der nur einstufigen Variante erhöht ist. Neben dem grundsätzlichen Vorteil aus thermodynamischer Sicht, wie er oben im Idealfall des Carnot'schen Wirkungsgrades beschrieben ist, hat die stufenweise Abkühlung den weiteren Vorteil, dass es dadurch möglich ist, Abkühlvorrichtungen zu entwickeln, die in ihrem jeweiligen Temperaturregime einen tatsächlichen Wirkungsgrad besitzen, der möglichst wenig vom theoretischen abweicht.
Gemäß einem vorteilhaften Aspekt nach Anspruch 5 der vorliegenden Erfindung ist das Arbeitsmittel Kühlwasser des Gasmotors und/oder einer Produkgas-Aufbereitungsanlage zur Durchführung des Produktgas-Aufbereitungsschritts. Dadurch sind die Energieströme innerhalb des erfindungsgemäßen Verfahrens optimal integriert, da zur Verdampfung des Arbeitsmittels (Kühlwassers) die Abwärmen des Gasmotors und der Gasturbine genutzt werden.
Gemäß einem vorteilhaften Aspekt nach Anspruch 6 der vorliegenden Erfindung wird das abgekühlte Produktgas in dem Produktgas-Aufarbeitungsschritt zudem gereinigt. In diesem Schritt wird das Produktgas insbesondere von Schwebeteilchen befreit, wobei die Schwebeteilchen selbst sowie deren Verbrennungsprodukte durch Anhaftung an den Innenwänden des Gasmotors, Verstopfung von dessen Düsen etc. den Wirkungsgrad des Gasmotors verringern und sogar zu dessen Ausfall führen können.
Gemäß der vorliegenden Erfindung (Anspruch 8) umfasst ein Gasmotor- und Dampf-Kombikraftwerk zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 7 einen Reformer zur Erzeugung des Produktgases durch endotherme Umsetzung der ersten kohlenstoffhaltigen Einsatzstoffe, eine Brennkammer zur Erzeugung der für den Reformer notwendigen thermischen Energie durch exotherme Umsetzung der zweiten kohlenstoffhaltigen Einsatzstoffe, einen Dampferzeuger zur Durchführung des Produktgas-Kühlschritts und des Gasgemisch-Kühlschritts, eine Produktgas-Aufbereitungsvorrichtung zur Durchführung des Produktgas-Aufbereitungsschritts, den Gasmotor zur Durchführung des Produktgas-Verbrennungsschritts, einen Überhitzer zur Durchführung des Rauchgas-Kühlschritts, einen Gasmischer zur Durchführung des Misch-Schritts, einen Kühler zur Durchführung des zweiten Gasgemisch-Kühlschritts und eine Gasturbine, die mit dem Arbeitsmitteldampf angetrieben wird.
Gemäß einem vorteilhaften Aspekt nach Anspruch 10 der vorliegenden Erfindung wird der Reformer und die Brennkammer Komponenten eines Heatpipe-Reformers sind, wobei die in der Brennkammer erzeugte Wärme über Wärmeleitrohre oder kurz Wärmerohre, englisch Heatpipes, in den Reformer transportiert wird. Ein derartiges Wärmerohr bildet ein hermetisch abgeschlossenes Volumen mit einem ersten, Wärme aufnehmenden Ende, das sich in einen wärmeren Bereich erstreckt, und einem zweiten, Wärme abgebenden Ende, das sich in einen kälteren Bereich erstreckt. Das Wärmerohr ist mit einem Arbeitsmedium gefüllt, das in dem wärmeren Bereich verdampft und in dem kälteren kondensiert. Der Wärmewiderstand eines Wärmerohres ist gegenüber Metallen deutlich geringer, so dass es sich isotherm verhält, die Temperatur über seine gesamte Länge also praktisch gleich ist. Ein solcher Heatpipe-Reformer ist zum Beispiel aus der WO 00/77128 A1 bekannt, und für Einzelheiten sei auf diese Druckschrift verwiesen.
Gemäß der vorliegenden Erfindung (Anspruch 11) umfasst ein Verfahren zur Umwandlung von Energie kohlenstoffhaltiger Einsatzstoffe in Nutzenergie die Schritte: (a) Erzeugen eines Produktgases durch endotherme Umsetzung erster kohlenstoffhaltiger Einsatzstoffe, (b) Erzeugen der für die Erzeugung des Produktgases notwendigen thermischen Energie durch exotherme Umsetzung zweiter kohlenstoffhaltiger Einsatzstoffe, (c) Reinigen des Produktgases in einem Produktgas-Aufbereitungsschritt, (d) Verbrennen des in dem Produktgas-Aufbereitungsschritt gereinigten Produktgases in einem Produktgas-Verbrennungsschritt zur Umwandlung einer in dem gereinigten Produktgas enthaltenen chemischen Energie in eine erste Nutzenergie, (e) wobei der Produktgas-Verbrennungsschritt in einer Brennzelle durchgeführt wird, (f) Mischen eines bei der Verbrennung des gereinigten Produktgases erzeugten Abgases mit einem durch die exotherme Umsetzung der zweiten kohlenstoffhaltigen Einsatzstoffe erzeugten Rauchgas in einem Misch-Schritt zu einem Gasgemisch, (g) Abkühlen des Gasgemisches in einem Gasgemisch-Kühlschritt, (h) Erzeugen eines Arbeitsmitteldampfes in einem Gasgemisch-Kühlschritt durch Verdampfen von flüssigem Arbeitsmittel durch eine bei der Abkühlung von dem Gasgemisch abgeführte Wärme, und (i) Umwandeln der in dem Arbeitsmitteldampf enthaltenen Energie in eine zweite Nutzenergie durch eine Gasturbine. Das in Anspruch 11 definierte Verfahren entspricht weitestgehend dem in Anspruch 1 definierten Verfahren. Der wesentliche Unterschied, der weitere Unterschiede nach sich zieht, ist die Verwendung einer Brennstoffzelle statt eines Gasmotors. Die Erläuterungen zu Anspruch 1 – die Vorteile des darin definierten Gegenstandes – können daher weitestgehend auf Anspruch 11 übertragen werden. Die Unterschiede sind: (1) Die optimale Betriebstemperatur de Brennstoffzelle ist höher als die des Gasmotors, so dass eine Kühlung das Produktgases vor dessen Einleiten in die Brennstoffzelle entfällt. Sie ist allerdings unter Umständen dennoch sinnvoll (Anspruch 12). Hingegen stellt die Brennstoffzelle im Allgemeinen höhere Anforderungen an die Gasqualität als der Gasmotor, so dass erfindungsgemäß das Produktgas vor dessen Einleiten in die Brennstoffzelle gereinigt wird. Erfindungsgemäß enthält daher sowohl die Gasmotor-Variante (Anspruch 1) als auch die Brennstoffzellen-Variante (Anspruch 11) einen Produktgas-Aufbereitungsschritt, der im ersten Fall in einer Kühlung, im zweiten Fall in jedoch in einer Reinigung besteht. Die jeweils andere Schritt erfolgt in Anspruch 6 (Reinigung) bzw. Anspruch 12 (Kühlung). Aus dieser Modifikation folgt eine Modifikation des Schritts (h) dahingehend, dass gemäß der vorliegenden Erfindung nach Anspruch 11 lediglich durch Abkühlen des Gasgemisches, nicht auch des Produktgases, Energie zum Verdampfen des Arbeitsmittels gewonnen wird.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung nach Anspruch 13 der vorliegenden Erfindung ist der Gasgemisch-Kühlschritt aus mehreren Kühlstufen gebildet und das Arbeitsmittel ein Kühlmittel der Brennstoffzelle. Auf die Vorteile einer mehrstufigen Abkühlung, hier des Rauchgases, ist oben bereits eingegangen. Die dem Rauchgas stufenweise entnommene Wärme wird dem Kühlmittel stufenweise zugeführt, so dass dieses beim Eintritt in die Gasturbine eine Temperatur von ca. 480°C besitzt.
Gemäß der vorliegenden Erfindung (Anspruch 15) umfasst ein Brennstoffzellen- und Dampf-Kombikraftwerk zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 11 bis 14 einen Reformer zur Erzeugung des Produktgases durch endotherme Umsetzung der ersten kohlenstoffhaltigen Einsatzstoffe, Brennkammer zur Erzeugung der für den Reformer notwendigen thermischen Energie durch exotherme Umsetzung der zweiten kohlenstoffhaltigen Einsatzstoffe, eine Produktgas-Aufarbeitungsvorrichtung zur Durchführung des Produktgas-Aufarbeitungsschritts, eine Brennstoffzelle zur Durchführung des Verbrennungsschritts, einen Gasmischer zur Durchführung des Misch-Schritts, eine Gasgemisch-Kühlvorrichtung zur Durchführung des Gasgemisch-Kühlschritts und eine Gasturbine, die mit dem Arbeitsmittel angetrieben wird. Die gerätetechnische Umsetzung des erfindungsgemäßen Verfahrens nach Anspruch 11 enthält somit die gleichen Elemente wie die (Anspruch 8) des erfindungsgemäßen Verfahrens nach Anspruch 1, mit der Ausnahme, dass der Gasmotor hier durch die Brennstoffzelle ersetzt ist.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung nach Anspruch 16 der vorliegenden Erfindung umfasst die Gasgemisch-Kühlvorrichtung einen Überhitzer, einen Dampferzeuger und einen Kühler. Da die Temperatur der Abgase der Brennstoffzelle etwa gleich der des von der Brennkammer kommenden Rauchgases ist, ist der Gasmischer in Strömungsrichtung des Rauchgases vor dem Überhitzer angeordnet, und der Überhitzer, der Dampferzeuger und der Kühler sind unmittelbar hintereinander angeordnet.
Weitere Vorteile und Merkmale der vorliegenden Erfindung werden ersichtlich aus der nachfolgenden ausführlichen Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen. In den Zeichnungen sind:
1 eine schematische Darstellung eines Kombikraftwerks gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; und
2 eine schematische Darstellung eines Kombikraftwerks gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
1 zeigt oben einen Gaskreislauf und unten einen Kühlmittelkreislauf eines Kombikraftwerks 10 gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; die Kreisläufe sind aus Gründen der Übersichtlichkeit separat dargestellt.
Das Kombikraftwerk 10 umfasst eine Brennkammer 12, einen Reformer 14, einen Dampferzeuger 16, einen Gasmotor 18, eine Gasreinigungs- und Kühleinrichtung 20, einen Überhitzer 22 und einen Kühler 24. Die Elemente 12–24 sind durch entsprechende Leitungen wie es in 1 durch Pfeile gezeigt ist miteinander verbunden, wobei die Pfeildicken näherungsweise ein Maß für den Volumenstrom eines Rauch- oder Produktgases sind, das durch die jeweilige Leitung strömt.
In der Brennkammer 12 findet eine exotherme Umsetzung kohlenstoffhaltiger Einsatzstoffe (Biomasse) statt. Die dabei entstehende Wärme wird über eine geeignete Wärmetransportvorrichtung wie in den Reformer 14 transportiert, um dort weitere kohlenstoffhaltige Einsatzstoffe endotherm umzusetzen. Die Wärmetransportvorrichtung kann zum Beispiel eine Wärmerohranordnung sind, durch die die Brennkammer 12 und der Reformer 14 zu einem Heatpipe-Reformer verbunden werden, wie er zum Beispiel in der WO 00/77128 A1 offenbart ist. Die jeweiligen Abgase, im Fall der Brennkammer 12 Rauchgas und im Fall des Reformers 14 Produkt- oder Synthesegas, haben mit 800°C bzw. 900°C in etwa gleiche Temperatur. Das Rauchgas wird in dem Überhitzer 22 auf eine Temperatur von ca. 500°C abgekühlt, bevor es einem Gasmischer 26 zugeführt wird. Das Produktgas wird in dem Dampferzeuger 16 auf ca. 300°C und anschließend in der Gasreinigungs- und Kühleinrichtung 20 auf ca. 80°C stufenweise abgekühlt und dann dem Gasmotor 18 zugeführt, in dem es verbrannt wird, also eine Umwandlung chemischer Energie in mechanische Energie stattfindet. Die Abgase des Gasmotors 18, die eine Temperatur von ca. 500°C haben, werden dem Gasmischer 26 zugeführt, in dem sie mit dem in dem Überhitzer 22 auf etwa die gleiche Temperatur abgekühlten Rauchgas gemischt werden. Das so gebildete Gasgemisch, das nach dem Misch-Schritt eine Mischtemperatur T_m < 800°C besitzt, wird in dem Dampferzeuger 16 in einer ersten Stufe und in dem Kühler 24 in einer zweiten Stufe auf ca. 120°C abgekühlt und über einen Kamin nach außerhalb des Kombikraftwerks 10 abgeführt.
Erfindungsgemäß findet somit in dem Überhitzer 22 ein Rauchgas-Kühlschritt, in dem Gasmischer 26 ein Misch-Schritt, in dem Dampferzeuger 16 ein Produktgas-Kühlschritt und ein Gasgemisch-Kühlschritt, in der Gasreinigungs- und Kühleinrichtung ein Produktgas-Aufbereitungsschritt, in dem Gasmotor 18 ein Produktgas-Verbrennungsschritt und in dem Kühler 24 ein zweiter Gasgemisch-Kühlschritt statt.
In dem Kombikraftwerk 10 gemäß der Ausführungsform sind sowohl die Gasreinigungs- und Kühleinrichtung 20 als auch der Gasmotor 18 mit einem Kühlwasserkreislauf (nicht gezeigt) verbunden, dessen Kühlwasser durch die Abwärmen des Kühlers 24, des Dampferzeugers 16 und des Überhitzers 22 sukzessive von ca. 80°C auf 480°C (überhitzter Wasserdampf) erhöht wird, wie es in 1 gezeigt ist. Der überhitzte Wasserdampf wird schließlich einer Turbine 28 zugeführt, darin entspannt und wieder abgekühlt, um erneut dem Gasmotor 18 und der Gasreinigungs- und Kühleinrichtung 20 zugeführt zu werden.
In dem Kombikraftwerk 10 wird somit ein Teil der in den kohlenstoffhaltigen Einsatzstoffen, die in der Brennkammer 12 verbrannt werden, enthaltenen chemischen Energie in elektrische und/oder mechanische Energie umgewandelt, die über den Gasmotor 18 und die Turbine 28 aus dem Kombikraftwerk 10 ausgekoppelt werden.
2 zeigt eine zweite Ausführungsform des erfindungsgemäßen Kombikraftwerks. Statt des Gasmotors 18 umfasst das Kombikraftwert 10 eine SOFC (solid oxide fluel cell = Festkörperbrennstoffzelle) 30. Verfahrenstechnisch ergeben sich hieraus, wie es aus 2 ersichtlich ist, folgende drei Modifikationen gegenüber der ersten Ausführungsform:

(1) Da die SOFC 30, eine Hochtemperatur-Brennstoffzelle, bei einer höheren Temperatur als der Gasmotor 18 optimal arbeitet, deren Betriebstemperatur zwischen ca. 600°C und ca. 1000°C liegt, entfällt die Kühlfunktion der Gasreinigungs- und Kühleinrichtung 20, so dass letztere nur eine Reinigungsfunktion besitzt. Die Gasreinigungs- und Kühlfunktion entspricht der erfindungsgemäßen Produktgas-Aufbereitungsvorrichtung. Das von dem Reformer 14 kommende Produktgas wird also in der Gasreinigungseinrichtung 32 lediglich gereinigt, bevor es in die SOFC 28 eingeleitet wird, wobei es von ca. 900°C nur auf ca. 800°C abgekühlt wird. Es ist allerdings zu beachten, dass hierdurch die Kühlfunktion nicht grundsätzlich ausgeschlossen, sondern in der Gasreinigungseinrichtung 32 integriert sein kann, wenn dies verfahrenstechnisch sinnvoll ist.
(2) Da die Temperatur des Abgases der SOFC 28 mit ca. 800°C wesentlich höherer ist als diejenige des Gasmotors 18, erfolgt die Mischung des Abgases mit dem von der Brennkammer 12 kommenden Rauchgas vor statt nach dem Überhitzer 22.
(3) Während gemäß der ersten Ausführungsform die Gasreinigungs- und Kühleinrichtung 20 und der Gasmotor 18 in den Kühlkreislauf integriert sind, trifft dies gemäß der zweiten Ausführungsform, da in der Gasreinigungsvorrichtung 32 keine Kühlung stattfindet, lediglich auf eine Komponente, die SOFC 28, zu.

Die restlichen Elemente und die sonstige Prozessführung der zweiten Ausführungsform sind mit jenen der ersten Ausführungsform identisch. Es ist zu beachten, dass die in der vorliegenden Erfindung angegebenen Temperaturen als Richtwerte anzusehen sind, die sich je nach Prozessführung und konkreter Auslegung der einzelnen Komponenten um ca. ±200°C verschieben kann.
Obgleich die vorliegende Erfindung bezüglich der bevorzugten Ausführungsformen offenbart worden ist, um ein besseres Verständnis von diesen zu ermöglichen, sollte wahrgenommen werden, dass die Erfindung auf verschiedene Weisen verwirklicht werden kann, ohne den Umfang der Erfindung zu verlassen. Deshalb sollte die Erfindung derart verstanden werden, dass sie alle möglichen Ausführungsformen und Ausgestaltungen zu den gezeigten Ausführungsformen beinhaltet, die realisiert werden können, ohne den Umfang der Erfindung zu verlassen, wie er in den beigefügten Ansprüchen dargelegt ist.

Claims

Verfahren zur Umwandlung von Energie kohlenstoffhaltiger Einsatzstoffe in Nutzenergie, umfassend: – Erzeugen eines Produktgases durch endotherme Umsetzung erster kohlenstoffhaltiger Einsatzstoffe, – Erzeugen der für die Erzeugung des Produktgases notwendigen thermischen Energie durch exotherme Umsetzung zweiter kohlenstoffhaltiger Einsatzstoffe, – Abkühlen des Produktgases in einem Produktgas-Kühlschritt, – Verbrennen des in dem Produktgas-Kühlschritt abgekühlten Produktgases in einem Produktgas-Verbrennungsschritt zur Umwandlung einer in dem abgekühlten Produktgas enthaltenen chemischen Energie in eine erste Nutzenergie, wobei der Produktgas-Verbrennungsschritt in einem Gasmotor (18) durchgeführt wird, – Mischen eines bei der Verbrennung des abgekühlten Produktgases erzeugten Abgases mit einem durch die exotherme Umsetzung der zweiten kohlenstoffhaltigen Einsatzstoffe erzeugten Rauchgas in einem Misch-Schritt zu einem Gasgemisch, – Abkühlen des Gasgemisches in einem Gasgemisch-Kühlschritt, – Erzeugen eines Arbeitsmitteldampfes in einem Verdampfungsschritt durch Verdampfen von flüssigem Arbeitsmittel durch eine bei der Abkühlung von dem Produktgas und/oder dem Gasgemisch abgeführte Wärme, und – Umwandeln der in dem Arbeitsmitteldampf enthaltenen Energie in eine zweite Nutzenergie durch eine Gasturbine.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur des Rauchgases vor dem Misch-Schritt in einem Rauchgas-Kühlschritt auf die Temperatur des Abgases abgekühlt wird und der Arbeitsmitteldampf durch Abwärme aus dem Rauchgas-Kühlschritt erzeugt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das abgekühlte Produktgas vor dem Verbrennungsschritt in einem Produktgas-Aufarbeitungsschritt weiter abgekühlt wird und der Arbeitsmitteldampf durch Abwärme aus dem Produktgas-Aufbereitungsschritt erzeugt wird.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das abgekühlte Gasgemisch in einem zweiten Gasgemisch-Kühlschritt weiter abkühlt und die Abwärme aus dem zweiten Gasgemisch-Kühlschritt zur Erzeugung des Arbeitsmitteldampfes verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Arbeitsmittel Kühlwasser des Gasmotors und/oder einer Produktgas-Aufbereitungsvorrichtung zur Durchführung des Produktgas-Aufbereitungsschritts ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das abgekühlte Produktgas in dem Produktgas-Aufarbeitungsschritt zudem gereinigt wird.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Nutzenergie mechanische und/oder elektrische Energie ist.
Gasmotor- und Dampf-Kombikraftwerk zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 7, mit: – einem Reformer (14) zur Erzeugung des Produktgases durch endotherme Umsetzung der ersten kohlenstoffhaltigen Einsatzstoffe, – einer Brennkammer (12) zur Erzeugung der für den Reformer (14) notwendigen thermischen Energie durch exotherme Umsetzung der zweiten kohlenstoffhaltigen Einsatzstoffe, – einem Dampferzeuger (16) zur Durchführung des Produktgas-Kühlschritts und des Gasgemisch-Kühlschritts, – einer Produktgas-Aufarbeitungsvorrichtung (20) zur Durchführung des Produktgas-Aufarbeitungsschritts, – dem Gasmotor (18) zur Durchführung des Produktgas-Verbrennungsschritts, – einem Überhitzer (22) zur Durchführung des Rauchgas-Kühlschritts, – einem Gasmischer (26) zur Durchführung des Misch-Schritts, – einem Kühler (24) zur Durchführung des zweiten Gasgemisch-Kühlschritts, und – der Gasturbine (28), die mit dem Arbeitsmitteldampf angetrieben wird.
Kombikraftwerk nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass es einen Generator zur Umwandlung von mechanischer Energie aus dem Gasmotor (18) und/oder der Gasturbine (28) in elektrische Energie umfasst.
Kombikraftwerk nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Reformer (14) und die Brennkammer (12) Komponenten eines Heatpipe-Reformers sind, wobei die in der Brennkammer (12) erzeugte Wärme über Wärmeleitrohre in den Reformer (14) transportiert wird.
Verfahren zur Umwandlung von Energie kohlenstoffhaltiger Einsatzstoffe in Nutzenergie, umfassend: – Erzeugen eines Produktgases durch endotherme Umsetzung erster kohlenstoffhaltiger Einsatzstoffe, – Erzeugen der für die Erzeugung des Produktgases notwendigen thermischen Energie durch exotherme Umsetzung zweiter kohlenstoffhaltiger Einsatzstoffe, – Reinigen des Produktgases in einem Produktgas-Aufbereitungsschritt, – Verbrennen des in dem Produktgas-Aufbereitungsschritt gereinigten Produktgases in einem Produktgas-Verbrennungsschritt zur Umwandlung einer in dem gereinigten Produktgas enthaltenen chemischen Energie in eine erste Nutzenergie, wobei der Produktgas-Verbrennungsschritt in einer Brennstoffzelle durchgeführt wird, – Mischen eines bei der Verbrennung des gereinigten Produktgases erzeugten Abgases mit einem durch die exotherme Umsetzung der zweiten kohlenstoffhaltigen Einsatzstoffe erzeugten Rauchgas in einem Misch-Schritt zu einem Gasgemisch, – Abkühlen des Gasgemisches in einem Gasgemisch-Kühlschritt, – Erzeugen eines Arbeitsmitteldampfes in einem Gasgemisch-Kühlschritt durch Verdampfen von flüssigem Arbeitsmittel durch eine bei der Abkühlung von dem Gasgemisch abgeführte Wärme, und – Umwandeln der in dem Arbeitsmitteldampf enthaltenen Energie in eine zweite Nutzenergie durch eine Gasturbine (28).
Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Produktgas in dem Produktgas-Aufbereitungsschritt zudem abgekühlt wird.
Verfahren nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Gasgemisch-Kühlschritt aus mehreren Kühlstufen gebildet ist und das Arbeitsmittel ein Kühlmittel der Brennstoffzelle (30) ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Nutzenergie elektrische Energie ist.
Brennstoffzellen- und Dampf-Kombikraftwerk zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 11 bis 14, mit: – einem Reformer (14) zur Erzeugung des Produktgases durch endotherme Umsetzung der ersten kohlenstoffhaltigen Einsatzstoffe, – einer Brennkammer (12) zur Erzeugung der für den Reformer (14) notwendigen thermischen Energie durch exotherme Umsetzung der zweiten kohlenstoffhaltigen Einsatzstoffe, – einer Produktgas-Aufarbeitungsvorrichtung (32) zur Durchführung des Produktgas-Aufarbeitungsschritts, – einer Brennstoffzelle (30) zur Durchführung des Verbrennungsschritts, – einem Gasmischer (26) zur Durchführung des Misch-Schritts, – einer Gasgemisch-Kühlvorrichtung (16, 22, 24) zur Durchführung des Gasgemisch-Kühlschritts, und – einer Gasturbine (28), die mit dem Arbeitsmittel angetrieben wird.
Kombikraftwerk nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Gasgemisch-Kühlvorrichtung (16, 22, 24) einen Überhitzer (22), einen Dampferzeuger (16) und einen Kühler (24) umfasst.
Kombikraftwerk nach Anspruch 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, dass es einen Generator zur Umwandlung von mechanischer Energie aus der Gasturbine (28) in elektrische Energie umfasst.
Kombikraftwerk nach Anspruch 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, dass der Reformer (14) und die Brennkammer (12) Komponenten eines Heatpipe-Reformers sind, wobei die in der Brennkammer (12) erzeugte Wärme über Wärmeleitrohre in den Reformer (14) transportiert wird.