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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Speicherung elektrischer Energie, wobei Wasserstoff und Sauerstoff durch Elektrolyse aus Wasser erzeugt, in eine Speichereinrichtung eingeleitet und voneinander getrennt gespeichert werden.
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Weiterhin betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.
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Bei der Erzeugung elektrischer Energie für das öffentliche Stromnetz ist stets darauf zu achten, dass sich Stromangebot und -nachfrage die Waage halten, da es andernfalls zu Spannungs- und Frequenzschwankungen oder sogar zu einem Ausfall des Netzes kommt. Grundsätzlich ist die Stromnachfrage zeitlich nicht konstant. Beispielsweise ist sie während des Tages ca. dreimal so groß wie in der Nacht, aber auch während der Woche ist sie höher als am Wochenende und im Winter ist sie höher als im Sommer. Durch das Zu- und Abschalten bzw. Herunterregeln von Kraftwerken wird versucht, die Unterschiede zwischen Angebot und Nachfrage auszugleichen. Dies ist jedoch einerseits uneffektiv und andererseits umso schwieriger, je schneller und überraschender sich solche Unterschiede einstellen.
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Der Einsatz erneuerbarer Energien, deren Anteil an der Stromversorgung sich in den nächsten Jahren deutlich erhöhen wird, verschärft diese Problematik. Da Sonne, Wind und Wasser zeitlich nicht konstant verfügbar sind und ihre Verfügbarkeit darüber hinaus nur schlecht vorhersagbar ist, kommt es auch auf Seiten des Stromangebotes zu schnellen und überraschenden Schwankungen, die durch schnell regelbare sog. Spitzenlastkraftwerke ausgeglichen werden müssen. Besondere Bedeutung haben hierbei Stromspeicher, wie Pump- und Druckluftspeicherkraftwerke, die besonders schnell regelbar sind und in Minuten zwischen Stromerzeugung und -verbrauch umgeschaltet werden können. Kraftwerke dieser Art können jedoch nicht in beliebiger Zahl errichtet werden, da die hierfür notwendigen geografischen bzw. geologischen Voraussetzungen nur an wenigen Orten erfüllt sind. Darüber hinaus haben Druckluftspeicherkraftwerke mit ca. 42% einen relativ geringen Wirkungsgrad.
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Als Spitzenlastkraftwerke werden auch Stromspeicher vorgeschlagen, in denen Wasser durch Elektrolyse gespalten, der dabei erzeugte Wasserstoff tiefkalt oder unter Druck zwischengespeichert und bei Bedarf zur Erzeugung von elektrischer Energie in eine Brennstoffzelle geleitet wird. Derartige Anlagen besitzen gegenüber den oben beschriebenen Stromspeichern den Vorteil, dass sie an praktisch jedem beliebigen Ort und in großer Zahl errichtet werden können. Ihr großer Nachteil ist jedoch ihre geringe Wirtschaftlichkeit, da nur ein geringer Teil der eingeleiteten elektrischen Energie wieder als solche abgegeben werden kann.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren sowie eine Vorrichtung der Eingangs beschriebenen Art anzugeben, durch die die Wirtschaftlichkeit bei der Speicherung elektrischer Energie im Vergleich zum Stand der Technik verbessert wird.
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Die gestellte Aufgabe wird verfahrensseitig erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass Wasserstoff und Sauerstoff aus der Speichereinrichtung entnommenen und bei erhöhtem Druck in der Brennkammer eines Dampferzeugers zu Wasserdampf umgesetzt werden, der nachfolgend in einer mit einem Stromgenerator gekoppelten Turbine unter Verrichtung mechanischer Arbeit entspannt wird.
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Die Energie des im Dampferzeuger gewonnenen Wasserdampfes wird somit in elektrische Energie umgewandelt. Zur Durchführung der Elektrolyse aufgenommener Strom kann daher gespeichert und bei Bedarf wieder abgegeben werden. Sinnvollerweise werden Elektrolyse und die Produktion von Wasserdampf bzw. Strom zeitversetzt durchgeführt.
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Wasserstoff und Sauerstoff werden vorzugsweise im Mengenverhältnis 1:2 gespeichert, in dem sie auch bei der Elektrolyse anfallen. Sinnvollerweise werden die beiden Stoffe auch in diesem Mengenverhältnis aus der Speichereinrichtung entnommen und der Brennkammer des Dampferzeugers zur Verbrennung zugeführt. Um zu verhindern, dass die bei der Verbrennungsreaktion freigesetzte Energie zu Beschädigungen des Dampferzeugers und/oder der Turbine führt, wird vorgeschlagen, entmineralisiertes Wasser als Temperaturmoderator einzusetzen. Die erforderliche Wassermenge wird hierzu ganz oder teilweise direkt oder gemeinsam mit Sauerstoff und/oder Wasserstoff in die Brennkammer eingebracht oder zu dem aus der Brennkammer abströmenden Wasserdampf gemischt, wobei das Wasser flüssig und/oder dampfförmig zugeführt wird.
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Vorzugsweise wird im Dampferzeuger überhitzter Wasserdampf mit einem Druck zwischen 0 und 300 bar und einer Temperatur zwischen 400 und 2500°C erzeugt, der nachfolgend in einer Gasturbine entspannt wird. Vorstellbar ist jedoch auch, dass überkritischer Wasserdampf mit einem Druck von mehr als 221,2 bar und einer Temperatur von mehr als 374,12°C erzeugt und in einer Dampfturbine entspannt wird.
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Besonders vorteilhaft erscheint es, auch die Enthalpie des in der Gasturbine entspannten Wasserdampfes zur Stromerzeugung zu nutzen. Hiezu wird vorgeschlagen, den Wasserdampf in einem Dampfkessel unter Erzeugung von Hochdruckdampf abzukühlen und ggf. zu kondensieren. Der im Dampfkessel erzeugte Hochdruckdampf, der ein Druck zwischen 5 und 300 bar und eine Temperatur zwischen 130 und 600°C aufweist, wird in einer Dampfturbine entspannt, die mit einem Stromgenerator gekoppelt ist. Zweckmäßigerweise wird aus der Dampfturbine austretender Wasserdampf als Temperaturmoderator der Brennkammer des Dampferzeugers zugeführt. Eine weitere zweckmäßige Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht vor, dass im Dampfkessel abgekühlter, jedoch nicht kondensierter Wasserdampf in einer mit einem Stromgenerator gekoppelten Kondensationsturbine entspannt wird.
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Der Elektrolyse, aber auch dem Dampfkessel, kann nur entmineralisiertes Wasser zugeführt werden, das in einem aufwendigen und teueren Prozess aus Trinkwasser gewonnen werden muss. Um den Aufwand für die Wasseraufbereitung gering zu halten, wird vorgeschlagen, dass aus der oder den Turbinen austretender Wasserdampf kondensiert und das entstehende Kondensat in einen Wasserspeicher eingeleitet wird, aus dem Wasser entnommen und der Elektrolyse und/oder dem Dampferzeuger und/oder dem Dampfkessel zugeführt wird. Das entmineralisierte Wasser wird somit in einem geschlossenen Kreislauf geführt, wodurch keine oder nur sehr geringe Wasserverluste auftreten, die ersetzt werden müssen.
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Aus wirtschaftlichen Gründen wird angestrebt, durch Elektrolyse erzeugter Wasserstoff und Sauerstoff mit möglichst geringem Platzbedarf zu speichern. Eine Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht vor, die beiden Stoffe gasförmig zu speichern, wobei der Speicherdruck zwischen 250 und 1000 bar liegt. Sauerstoff kann auch in überkritischem Zustand und/oder flüssig bei Drücken von weniger als 50 bar gespeichert werden.
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Da Wasserstoff und Sauerstoff nicht direkt verwertet, sondern unter Druck gespeichert werden, bietet es sich aus Gründen der Effizienz und der Wirtschaftlichkeit an, die Elektrolyse als Druckelektrolyse durchzuführen, wobei Wasserstoff und Sauerstoff mit dem Arbeitsdruck der Elektrolyseeinrichtung, des sog. Elektrolyseurs, erzeugt werden. Hierdurch verringert sich der für die Verdichtung der beiden Stoffe auf Speicherdruck erforderliche Energiebedarf. Die Erfindung sieht vor, dass die Elektrolyse bei einem Druck durchgeführt wird, der zwischen 5 und 150 bar, vorzugsweise zwischen 5 und 30 bar und besonders bevorzugt zwischen 5 und 15 bar liegt.
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Wird Sauerstoff flüssig gespeichert, ist es erforderlich ihm zunächst Wärme zu entziehen, die ihm dann wieder zugeführt werden muss, wenn er mit Wasserstoff zu Wasserdampf umgesetzt wird. Um den hierfür erforderlichen Energieaufwand zu minimieren, wird vorgeschlagen, dass gasförmiger Sauerstoff gegen ein Wärmeträgermedium abgekühlt und verflüssigt wird, das sich dabei erwärmt und/oder seinen Aggregatzustand ändert, und flüssiger Sauerstoff gegen ein Wärmeträgermedium verdampft und angewärmt wird, das sich dabei abkühlt und/oder seinen Aggregatzustand ändert. Vorzugsweise wird als Wärmeträgermedium Luft eingesetzt, die dabei verflüssigt und in diesem Zustand gespeichert wird.
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Um überkritischen Dampf mit einem Druck von mehr als 221,2 bar und einer Temperatur von mehr als 374,12°C zu erzeugen, sieht eine Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens vor, Wasserstoff und Sauerstoff mit Drücken von mehr als 225 bar in die Brennkammer des Dampferzeugers einzuleiten. Da der Druck einer Flüssigkeit mit geringerem Aufwand erhöht werden kann als der eines Gases, wird hierzu zweckmäßigerweise flüssig gespeicherter Sauerstoff aus der Speichereinrichtung entnommen, auf einen Druck von mehr als 225 bar gepumpt und anschließend in gasförmigen Wasserstoff eingeleitet und verdampft.
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Bei der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird in einer ersten Betriebsphase von einem Elektrolyseur Strom zur Zerlegung von Wasser aufgenommen, während in einer zweiten Betriebsphase über einen Turbinenprozess Strom produziert wird. Sinnvollerweise überschneiden sich die beiden Betriebsphasen zeitlich nicht, so dass in der ersten Betriebsphase, in der der Elektrolyseur betrieben wird, die Turbine oder die Turbinen nicht betrieben werden und sich lediglich im Zustand der Betriebsbereitschaft befinden. Andererseits ist der Elektrolyseur dann lediglich in Betriebsbereitschaft, wenn mit Hilfe der Turbine oder der Turbinen in der zweiten Betriebsphase Strom produziert wird. Wird eine Anlagenkomponente während einer Betriebsphase nicht betrieben, so besteht die Gefahr, dass sie abkühlt und bei einem Wechsel der Betriebsphase erst wieder zeitaufwendig auf Betriebstemperatur gebracht werden muss, bevor es möglich ist, sie mit voller Last zu betreiben. Als besonders problematisch sind in dieser Hinsicht Dampfturbinen, insbesondere Hochdruck-Dampfturbinen, anzusehen. Eine zweckmäßige Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht daher vor, dass zumindest eine zur Stromproduktion einsetzbare Turbine und/oder der Elektrolyseur im Zustand der Betriebsbereitschaft auf Betriebstemperatur oder einer Temperatur gehalten wird, die zwar niedriger ist als die Betriebstemperatur, die es jedoch erlaubt, die Turbine und/oder den Elektrolyseur in wenigen Minuten aus dem Zustand der Betriebsbereitschaft auf Volllastbetrieb umzuschalten. Erreicht werden kann dies durch eine ausreichend gute Wärmeisolierung der Anlagenkomponenten und/oder durch die Zuführung von Wärme, beispielsweise über elektrische Heizeinrichtungen oder Brenner. Insbesondere wird vorgeschlagen, in der Brennkammer des Dampferzeugers Wasserstoff mit Sauerstoff umzusetzen und den dabei entstehenden Wasserdampf durch die Turbine oder die Turbinen zu leiten, solange diese sich im Zustand der Betriebsbereitschaft befinden.
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Weiterhin betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur Speicherung elektrischer Energie, umfassend eine Elektrolyseeinrichtung, in der Wasser durch elektrischen Strom in Wasserstoff und Sauerstoff gespalten werden kann, sowie eine Speichereinrichtung, in der Wasserstoff und Sauerstoff getrennt voneinander gespeichert werden können.
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Die gestellte Aufgabe wird vorrichtungsseitig erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass sie einen Dampferzeuger mit einer Brennkammer, der Wasserstoff und Sauerstoff aus der Speichereinrichtung zur Umsetzung in Wasserdampf zuführbar sind, sowie eine mit einem Stromgenerator gekoppelte Turbine aufweist, in der im Dampferzeuger erzeugter Wasserdampf unter Verrichtung mechanischer Arbeit entspannbar ist.
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Vorzugweise ist der Dampferzeuger so ausgeführt, dass der Brennkammer entmineralisiertes Wasser in flüssiger Form und/oder gasförmig zugeführt werden kann, um die bei der Umsetzung von Wasserstoff und Sauerstoff auftretenden Temperaturen zu begrenzen. Besonders bevorzugt ist der Dampferzeuger für die Erzeugung von überhitztem oder überkritischem Wasserdampf ausgelegt, wozu seine Brennkammer eine Druckfestigkeit von mehr als 225 bar aufweist.
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Die Turbine kann als Gasturbine oder als Dampfturbine ausgeführt sein. Falls der Dampferzeuger die Erzeugung überkritischen Wasserdampfes erlaubt, handelt es sich bei der Turbine sinnvollerweise um eine Dampfturbine, die für die Einleitung von überkritischem Wasserdampf ausgelegt ist.
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Ist die Turbine als Gasturbine ausgeführt, so sieht eine bevorzugte Variante der erfindungsgemäßen Vorrichtung einen Dampfkessel vor, in dem Hochdruckdampf im Wärmetausch gegen aus der Gasturbine abströmenden Wasserdampf erzeugt werden kann. In dieser Variante weist die erfindungsgemäße Vorrichtung weiterhin eine mit einem Stromgenerator gekoppelte Dampfturbine auf, der der im Dampfkessel erzeugte Hochdruckdampf zur Verrichtung mechanischer Arbeit zugeführt werden kann. Sinnvollerweise ist diese Dampfturbine über eine Rückführeinrichtung mit dem Dampferzeuger verbunden, über die in der Dampfturbine entspannter Wasserdampf als Temperaturmoderator in die Brennkammer des Dampferzeugers eingeleitet werden kann. Eine Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung sieht einen der Dampfturbine nachgeschalteten Kondensator vor, in dem der in der Dampfturbine entspannte Wasserdampf, beispielsweise in indirektem Wärmetausch gegen Kühlwasser, kondensierbar ist. Eine weitere Ausgestaltung sieht eine mit einem Stromgenerator gekoppelte Kondensationsturbine vor, der im Dampfkessel abgekühlter Wasserdampf zur Verrichtung mechanischer Arbeit zugeführt werden kann.
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Vorteilhaft weist die erfindungsgemäße Vorrichtung einen geschlossenen Kreislauf für entmineralisiertes Wasser auf, der zweckmäßigerweise einen Wassertank umfasst, in den als Kondensat anfallendes entmineralisiertes Wasser eingeleitet und aus dem es wieder entnommen werden kann, um beispielsweise dem Elektrolyseur oder der Brennkammer des Dampferzeugers zugeführt zu werden.
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Bei der elektrochemischen Zerlegung von Wasser entstehen die Produkte Wasserstoff und Sauerstoff mit einer umso größeren Reinheit, je höher der Druck ist, bei dem die Zerlegung durchgeführt wird. Wasserstoff und Sauerstoff liegen darüber hinaus bereits unter Druck vor, so dass sich der Energiebedarf für ihre Speicherung mit steigendem Arbeitsdruck des Elektrolyseurs verringert. Die Elektrolyseeinrichtung ist daher vorzugsweise zur Durchführung einer Druckelektrolyse ausgeführt, die dazu geeignet ist, Wasserstoff und Sauerstoff mit Drücken zwischen 5 und 150 bar, vorzugsweise zwischen 5 und 30 bar und besonders bevorzugt zwischen 5 und 15 bar zu erzeugen.
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Die in der Elektrolyseeinrichtung erzeugten Produkte sollen gasförmig oder flüssig unter erhöhtem Druck gespeichert werden. Zu diesem Zweck umfasst die Speichereinrichtung eine Einrichtung in der ein in der Elektrolyseeinrichtung erzeugtes Produkt verdichtet und/oder verflüssigt werden kann. Die Speichereinrichtung umfasst weiterhin einen Speicherbehälter, in dem Wasserstoff gasförmig bei Drücken zwischen 250 und 1000 bar gespeichert werden kann. Außerdem umfasst sie wenigstens einen weiteren Speicherbehälter, in dem Sauerstoff gasförmig bei Drücken zwischen 150 und 1000 bar oder in überkritischem Zustand oder flüssig bei Drücken von weniger als 50 bar speicherbar ist.
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In einer Variante der erfindungsgemäßen Vorrichtung weist die Speichereinrichtung eine Einrichtung auf, in der gasförmiger Sauerstoff gegen ein Wärmeträgermedium abgekühlt und verflüssigt werden kann, das sich dabei erwärmt und/oder seinen Aggregatzustand ändert, und flüssiger Sauerstoff gegen ein Wärmeträgermedium verdampft und angewärmt werden kann, das sich dabei abkühlt und/oder seinen Aggregatzustand ändert. Zweckmäßigerweise kann in dieser Einrichtung Luft als Wärmeträgermedium eingesetzt werden, wobei erfindungsgemäß ein Speicherbehälter zur Speicherung von gegen zu verdampfenden Sauerstoff verflüssigter Luft vorgesehen ist.
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Eine weitere Variante der erfindungsgemäßen Vorrichtung sieht eine Heizeinrichtung vor, mit der es möglich ist, eine Anlagenkomponente auch in Zeiten auf Betriebstemperatur zu halten, in denen sie bei der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens nicht benötigt wird. Diese Heizeinrichtung kann beispielsweise als elektrisches Heizelement oder als Brenner ausgeführt sein, mit dessen Hilfe der Elektrolyseur und/oder eine Turbine auf Betriebstemperatur gehalten werden können. Vorzugsweise erlaubt der Dampferzeuger in allen Betriebsphasen die Erzeugung von Wasserdampf, so dass die Turbine oder die Turbinen auch dann mit Hilfe des heißen Wasserdampfes auf Betriebstemperatur gehalten werden können, wenn sie nicht zur Stromproduktion eingesetzt werden.
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Die Erfindung kann mit besonderem Vorzug zur Speicherung von preiswertem Nacht- und Wochenendstrom eingesetzt werden, der in Zeiten hohen Strombedarfs als Spitzenstrom wieder an das Stromnetz abgegeben wird. Ihr Einsatz ist jedoch auch in solarthermischen Kraftwerken denkbar, um einen Teil des während des Tages produzierten Stromes zur Abgabe während der Nachtstunden zu speichern.
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Im Folgenden soll die Erfindung anhand eines in der 1 schematisch dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert werden.
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Die 1 zeigt eine Variante der Erfindung, bei der Wasserstoff mit Sauerstoff zu Wasserdampf umgesetzt wird, dessen Energie in einem zweistufigen Turbinen-Prozess in elektrischen Strom umgewandelt wird.
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Über Leitung 1 wird zu speichernder elektrischer Strom dem Elektrolyseur E zugeführt, der vorzugsweise als Hochdruck-Elektrolyseur ausgeführt ist, und in dem Wasser 2 beispielsweise bei einem Druck von 50 bar und einer Temperatur von 80°C elektrochemisch in Wasserstoff und Sauerstoff getrennt wird. Bei dem Wasser 2 handelt es sich um entmineralisiertes Wasser, das über die Pumpe P1 aus dem Wasserspeicher W entnommen wird. Der im Elektrolyseur E anfallende Wasserstoff 3 wird über den Verdichter V1 komprimiert und gasförmig in den Wasserstoffspeicher H eingeleitet, während der Sauerstoff über Leitung 4 und den Verdichter V2 ebenfalls gasförmig in den Sauerstoffspeicher O geführt wird. Dieser Prozess wird fortgesetzt, solange Strom über Leitung 1 zu günstigen Konditionen bezogen werden kann, wie dies beispielsweise aus dem öffentlichen Stromnetz in der Nacht oder am Wochenende möglich ist.
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Um elektrischen Strom zu erzeugen, werden Wasserstoff und Sauerstoff aus ihren Speichereinrichtungen H und O entnommen und über die Leitungen 5 und 6 stöchiometrisch der Brennkammer des Dampferzeugers B zugeleitet und bei einem Druck von ca. 20 bar zu Wasserdampf umgesetzt. Um die Temperaturen auf einen unkritischen Wert zu begrenzen, wird über Leitung 7 und die Pumpe P2 dem Dampferzeuger B entmineralisiertes Wasser aus dem Wasserspeicher W zugeführt und in die Brennkammer eingespritzt. Der im Dampferzeuger B produzierte überhitzte Wasserdampf wird über Leitung 8 entnommen und mit einer Temperatur von ca. 1600°C und einem Druck von ca. 20 bar der Gasturbine G zugeführt, wo er unter Leistung mechanischer Arbeit entspannt wird. Mit einer Temperatur von ca. 850°C verlässt der entspannte Wasserdampf die Gasturbine G und wird über Leitung 9 in den Hochdruckdampfkessel HD geleitet. Hier wird er in indirektem Wärmetausch gegen Kesselspeisewasser 10 abgekühlt und kondensiert, so dass über Leitung 11 entmineralisiertes Wasser in den Wasserspeicher W geleitet werden kann. Das mit Hilfe der Pumpe P3 ebenfalls dem Wassertank W entnommene Kesselspeisewasser 10 wird im Hochdruckdampfkessel HD verdampft und überhitzt. Mit einem Druck von ca. 110 bar und einer Temperatur von ca. 530°C wird der überhitzte Wasserdampf über Leitung 12 der Hochdruck-Dampfturbine D zugeführt, wo er unter Verrichtung mechanischer Arbeit entspannt wird. Die in den beiden Turbinen G und D erzeugte mechanische Arbeit wird über die Welle W auf den Generator S übertragen und dort in elektrischen Strom umgewandelt, der über Leitung 13 beispielsweise in das öffentliche Stromnetz abgegeben wird. Der entspannt aus der Hochdruck-Dampfturbine D austretende Wasserdampf wird in die beiden Dampfströme 14 und 17 aufgeteilt. Während der Dampfstrom 14 im Kondensator K gegen Kühlwasser 15 kondensiert und als Kondensat 16 in den Wasserspeicher W zurückgeführt wird, wird der Dampfstrom 17 als Temperaturmoderator in die Brennkammer der Dampferzeugers B eingeleitet.
