DE102010060595A1 - Stromerzeugung aus tiefkalt verflüssigten Gasen - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Stromerzeugung aus tiefkalt verflüssigten Gasen, wobei Energie zur Verflüssigung von Gasen aufgewendet wird, die tiefkalt verflüssigten Gase gelagert werden und bei Bedarf durch Verdampfen der tiefkalt verflüssigten Gase wieder die Energie zurückgewonnen wird und diese wiederum zur Erzeugung von Strom verwendet wird.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Stromerzeugung aus tiefkalt verflüssigten Gasen.
  • Regenerative Energiequellen, wie Wind und Sonne, werden zunehmend genutzt. Jedoch stehen diese Energieträger nur örtlich zur Verfügung und unterliegen in ihrer Effektivität zeitlichen Schwankungen. Bei Angebotsspitzen, die durch Starkwind oder hohe Sonneneinstrahlung entstehen, soll der Stromfluss möglichst in die Zeiten hoher Stromnachfrage verschoben werden.
  • Andersherum soll Strom aus regenerativen Energiequellen auch bei einem Angebotstief verfügbar sein. Der überschüssige Strom aus regenerativen Energiequellen muss also zwischengespeichert werden, um bei Bedarf in das Stromnetz eingespeist zu werden. Das Stromnetz selbst kann eine solche Speicherfunktion nicht übernehmen.
  • Eine bewährte Speichertechnik für überschüssigen Strom sind Pumpspeicherkraftwerke. Mithilfe der überschüssigen elektrischen Energie wird dabei Wasser von einem Becken in ein höher gelegenes Speicherbecken gepumpt. Wird wieder Strom benötigt, fließt das Wasser aus dem höher gelegenen Speicherbecken wieder in das tiefer gelegene Becken und treibt dabei Turbinen an, welche wiederum einen Generator antreiben und dadurch Strom erzeugen. Nachteilig ist unter anderem, dass solche Pumpspeicherkraftwerke nur an geeigneten Standorten errichten werden können.
  • Desweiteren werden Druckluftspeicherkraftwerke zur Speicherung von überschüssigem Strom eingesetzt. Bei Angebotsspitzen wird der Strom aus regenerativen Energiequellen dazu verwendet, Luft in einem Druckluftspeicher zu verdichten. Bei Strombedarf wird mittels der Druckluft eine Turbine betrieben, die einen Generator antreibt. Jedoch sind diese Kraftwerke sehr kostenintensiv. Ein Druckluftspeicherkraftwerk wird beispielsweise in der Druckschrift DE 10 2006 031 424 A1 beschrieben.
  • Eine Möglichkeit der Bereitstellung von Energie bietet sich in Form von tiefkalt verflüssigten Gasen, insbesondere von verflüssigtem Stickstoff, Sauerstoff, oder Argon. Verfahren zur Luftzerlegung und späteren Gewinnung tiefkalt verflüssigter Gase gehören zum Stand der Technik. Die unterschiedlichen Siedepunkte der einzelnen Luftbestandteile werden dabei für die Fraktionierung ausgenutzt. Ein solches Verfahren und eine entsprechende Vorrichtung werden beispielsweise in der Offenlegungsschrift EP 1995537 A2 beschrieben.
  • Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung war es, eine alternative Möglichkeit zur Zwischenspeicherung von Strom aus regenerativen Energiequellen zu finden, welche kostensparend ist, unabhängig von spezifischen Standortgegebenheiten und Ressourcen ist und wenig Raum verbraucht. Zudem sollten möglichst keine neuen Stromleitungen und Umspannwerke benötigt werden. Desweiteren war es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, dabei keine hohen Sicherheitsrisiken für die Bevölkerung und die Umwelt zu schaffen.
  • Gelöst wird die Aufgabe durch das erfindungsgemäße Verfahren zur Stromerzeugung aus tiefkalt verflüssigten Gasen, wobei Energie zur Verflüssigung von Gasen aufgewendet wird, die tiefkalt verflüssigten Gase gelagert werden und bei Bedarf durch Verdampfen der tiefkalt verflüssigten Gase wieder die Energie zurückgewonnen wird und zur Erzeugung von Strom verwendet wird.
  • Dabei sind in dem erfindungsgemäßen Verfahren mindestens die folgenden Schritte umfasst:
    • – Ansaugen des Gases
    • – Verdichten des Gases
    • – Vorkühlen des Gases
    • – weiteres Verdichten des Gases
    • – Verflüssigen des Gases
    • – Abfüllen und Lagern des flüssigen Gases; und zur Stromerzeugung sind weiterhin mindestens die folgenden Schritte umfasst:
    • – Verdampfen des flüssigen Gases
    • – Weiterleiten der aus der Verdampfung des tiefkalt verflüssigten Gases gewonnenen Energie zur Erzeugung von Strom.
  • Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren ist es sowohl möglich, ein Gasgemisch tiefkalt zu verflüssigen als auch dieses Gasgemisch zu fraktionieren, wie es beispielsweise mit einem Verfahren zur Tieftemperatur-Luftzerlegung möglich ist. Dazu wird das zu verflüssigende Gasgemisch nach dem Schritt des Vorkühlens in seine Einzelgase zerlegt.
  • Durch das erfindungsgemäße Verfahren ergibt sich der Vorteil, dass überschüssige Energie aus regenerativen Quellen oder anderen Überschüssen kostengünstig zwischengespeichert wird, bis diese benötigt wird. Im Gegensatz zu Pumpspeicherkraftwerken gibt es keine besonderen Erfordernisse an den Standort und an das Vorhandensein besonderer Ressourcen wie Wasser. Desweiteren ergibt sich der Vorteil, dass im Bedarfsfall die als tiefkalt verflüssigtes Gas gespeicherte Energie schnell zur Stromerzeugung zur Verfügung steht. Zudem stellen tiefkalt verflüssigte Gase wie verflüssigter Sauerstoff oder Stickstoff kein oder nur ein geringes Sicherheitsrisiko dar.
  • In einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens ist das zu verflüssigende Gas Luft und/oder Stickstoff.
  • Es ist weiterhin bevorzugt, dass die tiefkalt verflüssigten Gase verflüssigter Stickstoff und/oder verflüssigter Sauerstoff und/oder verflüssigtes Argon sind.
  • Es ist weiterhin Gegenstand des erfindungsgemäßen Verfahrens, dass die Stromerzeugung direkt in der unmittelbaren Nähe eines Kraftwerks durchgeführt wird, welches mit fossilen Energieträgern, Kernkraft oder Offshore-Windparks betrieben wird. Dadurch entsteht der Vorteil, dass keine oder nur wenig neue Stromleitungen und kein separates Umspannwerk benötigt werden, da die bereits existierenden Stromleitungen des Kraftwerks verwendet werden können. Somit werden Leitungsverluste zwischen dem Ort der Stromerzeugung bis zur Einspeisung ins Stromnetz minimiert. Zudem liegt ein Wirtschaftlichkeitsvorteil vor, da Wasser wie Kühlwasser und/oder Flusswasser und/oder Meerwasser bei diesen Kraftwerken bereits vorhanden ist. Neben der bevorzugten Methode zum Verdampfen des Gases mit Wasser ist es zudem möglich, die Verdampfung mittels eines Luftverdampfers zu realisieren. Dabei wird die Temperaturdifferenz zwischen Gas und Umgebungsluft genutzt.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens stammt die benötigte Energie zum Verdampfen der tiefkalt verflüssigten Gase aus dem warmen Kühlwasser eines Stromkraftwerks und/oder einem Fluss. Somit muss keine extra Energie zur Verdampfung der tiefkalt verflüssigten Gase bereit gestellt werden, da warmes Kühlwasser in einem Kraftwerk zumeist vorhanden ist. Zudem wird durch das erfindungsgemäße Verfahren weniger warmes Kühlwasser in die Flüsse geleitet, was besonders bei Zeiten hoher Außentemperatur vorteilhaft für die Flora und Fauna eines Gewässers ist.
  • Weitere Vorteile ergeben sich aus einer Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Stromerzeugung aus tiefkalt verflüssigten Gasen, wobei zur Verflüssigung des Gases mindestens die folgenden Apparaturen umfasst sind:
    • – Apparatur zum Ansaugen des Gases
    • – Apparatur zum Verdichten des Gases
    • – Apparatur zum Vorkühlen des Gases
    • – Apparatur zum weiteren Verdichten des Gases
    • – Apparatur zum Verflüssigen des Gases
    • – Apparatur zum Abfüllen und Lagern des flüssigen Gases; und zur Stromerzeugung mindestens die folgenden Apparaturen umfasst sind:
    • – Apparatur zum Verdampfen des flüssigen Gases
    • – Apparatur zum Weiterleiten der aus der Verdampfung des tiefkalt verflüssigten Gases gewonnenen Energie zur Erzeugung von Strom
  • Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist es sowohl möglich, ein Gasgemisch tiefkalt zu verflüssigen als auch dieses Gasgemisch zu fraktionieren, wie es beispielsweise mit einer Vorrichtung zur Tieftemperatur-Luftzerlegung möglich ist. Dazu wird das zu verflüssigende Gasgemisch nach dem Schritt des Vorkühlens in seine Einzelgase zerlegt. Dazu wird nach der Apparatur zum Vorkühlen des Gases eine Apparatur zum Zerlegen des Gasgemisches nachgeschaltet.
  • Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Stromerzeugung aus tiefkalt verflüssigten Gasen ist bevorzugt in der Nähe eines Kraftwerks lokalisiert, welches mit fossilen Energieträgern, Kernkraft oder Offshore-Windparks betrieben wird. Durch die Nähe der erfindungsgemäßen Vorrichtung zu einem stromerzeugenden Kraftwerk entsteht der Vorteil, dass die vorhandenen Stromleitungen des Kraftwerkes verwendet werden können und durch vorhandenes Wasser, wie Kühlwasser und/oder Flusswasser und/oder Meerwasser, ein Wirtschaftlichkeitsvorteil vorliegt. Diese minimiert zudem Leitungsverluste zwischen dem Ort der Stromerzeugung bis zur Einspeisung ins Stromnetz.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren wird anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Die folgenden Beispiele sollen der Illustration der Erfindung dienen und sind in keiner Weise einschränkend zu verstehen.
  • Ausführungsbeispiel 1
  • In einer besonders bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird bei einer auftretenden Leistungsspitze und somit einem Überschuss an erzeugter Energie Luft mittels eines Luftverflüssigungsverfahrens verflüssigt. Dazu wird atmosphärische Luft angesaugt und durch einen Luftkompressor verdichtet. Danach wird die Luft mittels eines Wärmeaustauschers abgekühlt und durch ein Molsieb oder Revex geleitet, wodurch die Feuchtigkeit und das CO2 aus der Luft entfernt werden. Die gereinigte Luft wird nachverdichtet und mithilfe einer Turbine oder eines Expansionsventils wieder entspannt. Das entspannte Gas wird dabei im Gegenstromprinzip zur Vorkühlung des verdichteten Gases eingesetzt. Die tiefkalt verflüssigte Luft wird in einen geeigneten Lagerbehälter weitergeleitet.
  • Zur Stromerzeugung im Bedarfsfall wird die tiefkalt verflüssigte Luft über einen Wasserbadverdampfer verdampft. Dieser Wasserbadverdampfer wird von dem warmen Kühlwasser aus einem benachbarten Stromkraftwerk oder einem Fluss gespeist. Mittels der entstandenen Gasmenge und des Drucks werden Turbinen zur Stromerzeugung angetrieben.
  • Das Verfahren wird bevorzugt in unmittelbarer Nähe eines Stromerzeugungskraftwerkes durchgeführt.
  • Ausführungsbeispiel 2
  • In einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird bei einer auftretenden Leistungsspitze und somit einem Überschuss an regenerativ erzeugter Energie Luft mittels eines Tieftemperatur-Luftzerlegungsverfahrens verflüssigt. Dazu wird atmosphärische Luft angesaugt und durch einen Luftkompressor verdichtet. Danach wird die Luft mittels eines Wärmeaustauscher abgekühlt und durch ein Molsieb oder Revex geleitet, wodurch die Feuchtigkeit und das CO2 aus der Luft entfernt werden. Die gereinigte Luft wird nachverdichtet und mithilfe einer Turbine oder eines Expansionsventils wieder entspannt. Das entspannte Gas wird dabei im Gegenstromprinzip zur Vorkühlung des verdichteten Gases eingesetzt. Die Luft wird weiter gekühlt und über ein Trennsäule-System geleitet, aus welchem die flüssigen Gase entnommen werden können. Die tiefkalt verflüssigten Gase werden in geeignete Lagerbehälter weitergeleitet. Der hierbei abgetrennte Sauerstoff kann zur Verbesserung von Verbrennungsprozessen verwendet werden.
  • Zur Stromerzeugung im Bedarfsfall werden tiefkalt verflüssigten Gase über einen Wasserbadverdampfer verdampft. Dieser Wasserbadverdampfer wird von dem warmen Kühlwasser aus einem benachbarten Stromkraftwerk oder einem Fluss gespeist. Mittels der entstandenen Gasmenge und des Drucks werden Turbinen zur Stromerzeugung angetrieben.
  • Ausführungsbeispiel 3
  • In einem weiteren Ausführungsbeispiel wird Stickstoff, beispielsweise mittels eines Luftzerlegungsverfahrens, tiefkalt verflüssigt. Neben der Primärfunktion der Stromerzeugung durch Verdampfen des flüssigen Stickstoffs kann dieser im Bedarfsfall zur Brandverhütung und/oder zur Löschung eines Feuers verwendet werden, indem der verflüssigte Stickstoff in den betroffenen Raum geleitet wird und somit den Brand erstickt. Der bei diesem Verfahren anfallende Sauerstoff kann zur Verbesserung von Verbrennungsprozessen verwendet werden. Dieses Verfahren ist insbesondere sinnvoll bei Kohlekraftwerken, bei denen die CO2 Emissionen aufgefangen werden sollen, um das CO2 zu lagern.
  • Ausführungsbeispiel 4
  • In einem Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens werden die tiefkalt verflüssigten Gase verdampft und dazu verwendet, das Kraftwerk von außen zu vernebeln. Auf diese Art und Weise können mögliche Anschläge auf das Kraftwerk verhindert werden, da es so schwer zu lokalisieren ist.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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  • Zitierte Patentliteratur
    • DE 102006031424 A1 [0005]
    • EP 1995537 A2 [0006]

Claims (10)

  1. Verfahren zur Stromerzeugung aus tiefkalt verflüssigten Gasen, dadurch gekennzeichnet, dass Energie zur Verflüssigung von Gasen aufgewendet wird, die tiefkalt verflüssigten Gase gelagert werden und bei Bedarf durch Verdampfen der tiefkalt verflüssigten Gase wieder die Energie zurückgewonnen wird und diese zur Erzeugung von Strom verwendet wird.
  2. Verfahren zur Stromerzeugung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur Verflüssigung des Gases mindestens die folgenden Schritte umfasst sind: – Ansaugen des Gases – Verdichten des Gases – weiteres Verdichten des Gases – Verflüssigen des Gases – Abfüllen und Lagern des flüssigen Gases; und zur Stromerzeugung mindestens die folgenden Schritte umfasst sind: – Verdampfen des flüssigen Gases – Weiterleiten der aus der Verdampfung des tiefkalt verflüssigten Gases gewonnenen Energie zur Erzeugung von Strom.
  3. Verfahren zur Stromerzeugung nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass das zu verflüssigende Gas Luft und/oder Stickstoff ist.
  4. Verfahren zur Stromerzeugung nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die tiefkalt verflüssigten Gase verflüssigter Stickstoff und/oder verflüssigter Sauerstoff und/oder verflüssigtes Argon sind.
  5. Verfahren zur Stromerzeugung nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Stromerzeugung in der Nähe eines Kraftwerks oder eines Offshore-Windparks durchgeführt wird.
  6. Verfahren zur Stromerzeugung nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die benötigte Energie zum Verdampfen der tiefkalt verflüssigten Gase vom warmen Kühlwasser aus einem Kraftwerk und/oder einem Gewässer und/oder aus der Umgebungstemperatur der Luft stammt.
  7. Verfahren zur Stromerzeugung nach den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das zu verflüssigende Gasgemisch nach dem Schritt des Vorkühlens in seine Einzelgase zerlegt wird.
  8. Vorrichtung zur Stromerzeugung aus tiefkalt verflüssigten Gasen nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Verflüssigung des Gases mindestens die folgenden Apparaturen umfasst sind: – Apparatur zum Ansaugen des Gases – Apparatur zum Verdichten des Gases – Apparatur zum Vorkühlen des Gases – Apparatur zum weiteren Verdichten des Gases – Apparatur zum Verflüssigen des Gases – Apparatur zum Abfüllen und Lagern des flüssigen Gases; und zur Stromerzeugung mindestens die folgenden Apparaturen umfasst sind: – Apparatur zum Verdampfen des flüssigen Gases – Apparatur zum Weiterleiten der aus der Verdampfung des tiefkalt verflüssigten Gases gewonnenen Energie zur Erzeugung von Strom
  9. Vorrichtung zur Stromerzeugung aus tiefkalt verflüssigten Gasen nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass diese in der Nähe eines Kraftwerks oder eines Offshore-Windparks lokalisiert ist.
  10. Vorrichtung zur Stromerzeugung aus tiefkalt verflüssigten Gasen nach den Ansprüchen 8 und 9, dadurch gekennzeichnet, dass nach der Apparatur zum Vorkühlen des Gases eine Apparatur zum Zerlegen des Gasgemisches vorhanden ist.
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Citations (6)

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