DE102011016215A1

DE102011016215A1 - Solarthermisches Hybridkraftwerk

Info

Publication number: DE102011016215A1
Application number: DE102011016215A
Authority: DE
Inventors: Bernhard Krieg
Original assignee: PROJEKTENTWICKLUNG EN und UMWELT LEIPZIG GmbH; PROJEKTENTWICKLUNG ENERGIE und UMWELT LEIPZIG GmbH
Current assignee: PROJEKTENTWICKLUNG EN und UMWELT LEIPZIG GmbH; PROJEKTENTWICKLUNG ENERGIE und UMWELT LEIPZIG GmbH
Priority date: 2011-04-06
Filing date: 2011-04-06
Publication date: 2012-10-11

Abstract

Die Erfindung betrifft ein solarthermisches Hybrid-Kraftwerk. Es ist die Aufgabe gestellt, die Effektivität der Erzeugung von Strom und Wärme durch MHTR-Kraftwerke zu verbessern und umweltfreundlich zu gestalten. Die Aufgabe wird gelöst durch eine Kopplung einer Solarthermie-Anlage, bestehend aus einer Parabolrinnenanlage, einem Wärmespeicher und einem Dampferzeuger, mit einem MHTR-Kraftwerk, bestehend aus einem Reaktor, einer Gasturbine, einem Abhitzekessel und einer Dampfturbinenanlage.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erzeugung von Strom und Wärme durch abgestimmtes Betreiben unterschiedlicher Kraftwerkstypen und entsprechender Zusatzanlagen in einem neuen, räumlich zusammengehörigen Gesamt-Kraftwerks-Komplex. Als Primärenergieträger kommen erneuerbare Energien wie Solarenergie sowie Kernbrennstoffe zum Einsatz.
Es ist Stand der Technik, hocheffektive Kraftwerke zur Versorgung mit Strom und Wärme zu betreiben, die mit fossilen Brennstoffen und/oder regenerativen Energieträgern und auch mit Kernenergie arbeiten. Diese Kraftwerke unterschiedlicher Größe haben einen hohen Entwicklungsstand erreicht, ermöglichen hohe Wirkungsgrade und arbeiten zuverlässig. Kohle gilt gegenwärtig und auf Grund der großen weltweiten Vorräte auch in naher Zukunft als Hauptbrennstoff. Gleichzeitig verursacht die Kohle aber auch die höchsten spezifischen CO₂-Emissionen. Um diese zu verringern wird eine Sequestierung des CO₂ angestrebt. Dies ist mit zusätzlichen Kosten und Verschlechterung der energetischen Effizienz verbunden.
Neben Verbrennungsanlagen wird auch Vergasungsanlagen eine größere Bedeutung beigemessen. Diese Anlagen sind gegenüber Verbrennungsanlagen wesentlich komplexer und damit teurer und auch störanfälliger, ermöglichen aber eine einfachere CO₂-Abtrennung, die Erzeugung von Wasserstoff und u. U. auch eine höhere energetische Effizienz. Eine mögliche Variante ist in der DE 19802660 beschrieben. Über die Perspektiven einer kohlebasierten Kraftwerkstechnologie gibt die Firma Siemens im November 2006 in der Schrift „VIK – Energietechnische Zukunftskonzepte” eine Übersicht.
Ein weiterer Trend bei Verbrennungsanlagen ist der Einsatz von technischem Sauerstoff für die Verbrennung. Dadurch vereinfacht sich die CO₂-Abtrennung beträchtlich und außerdem verringern sich die Abgasverluste. Die Sauerstofferzeugung benötigt jedoch zusätzliche finanzielle und energetische Aufwendungen.
Es ist weiterhin bekannt, Strom und Wärme in Kernkraftwerken zu erzeugen. Der Sicherheitsstandard ist sehr hoch. Die Energieumwandlung erfolgt CO₂-frei.
Ein inhärent sicherer Kernkraftwerkstyp ist die Ausführung mit Hochtemperaturreaktor (HTR) und speziellen kugelförmigen Brennelementen. In der üblichen Ausführung als modularer Hochtemperaturreaktor (MHTR), ist er den anderen Reaktortypen nicht nur hinsichtlich Sicherheit, sondern auch in der energetischen Effizienz entscheidend überlegen.
Die bekannten Kraftwerkstypen haben jeder für sich Vorteile und Nachteile. Ein Nachteil der Dampfkraftwerke, die mit fossilen oder biogenen Brennstoffen arbeiten, besteht in der Verschlechterung der Energieeffizienz bei CO₂-Sequestierung und für den Fall der konzentrierten Sauerstoffzufuhr in der Notwendigkeit, diesen bereitzustellen, was entweder durch Antransport oder durch vorgeschaltete Luftzerlegung möglich ist und auch praktiziert wird.
Der Nachteil eines Kernkraftwerkes ist darin zu sehen, dass bei der Erzeugung von Wasserstoff, welcher industriell stark nachgefragt wird und dessen Produktion in Zukunft CO₂-frei und preisgünstig abzusichern und zu steigern ist, eine erhebliche Menge Sauerstoff entsteht. Für diese Menge Sauerstoff ist vor Ort eine vernünftige Verwendung noch nicht sichtbar.
Dampfkraftwerke auf fossiler Basis sind hocheffektive, technisch bewährte Anlagen. Die Umwelt bedingte notwendige weitere Reduzierung des CO₂-Ausstosses durch CO₂-Abtrennung aus den Rauchgasen verursacht einen hohen Kosten- und Energieaufwand. Dieser wird mit dem Übergang zu Verbrennung mit Sauerstoff (Oxyfuel-Anlage) verringert.
Die dazu erforderliche Luftzerlegungsanlage ist allerdings auch energieaufwendig und ein Fremdkörper im Kraftwerk.
Sauerstoff, der bei der Elektrolyse z. B. mit CO₂-freien MHTR-Strom als Nebenprodukt anfällt, ist ein gefährliches Industriegas, dessen Transport oder Entsorgung Probleme bereitet.
Es ist versucht worden, mit dem Ziel kostengünstiger Methanolherstellung Kraftwerkelemente miteinander zu koppeln und deren Vorteile zu vereinigen. Aus DE 692 29 839 T2 ist bekannt, eine Elektrolysezelle zum Erzeugen von Wasserstoff und Sauerstoff mit einem Hochtemperatur-Kernreaktor zu koppeln, wobei der im Elektrolyseverfahren erzeugte Sauerstoff als Oxidationsmittel für die Herstellung von Vergasungsgas genutzt wird, aus dem Methanol erzeugt wird.
Diese technische Lösung ist vorrangig auf die Methanolherstellung ausgerichtet und gibt keine Anleitung zur Kopplung von Kernkraftwerken mit fossil oder biogen befeuerten Kraftwerken.
Eine solche Anleitung gibt die DE 10 2007 026 570 . Entsprechend der vorgestellten technischen Lehre wird ein Hybridkraftwerk geschaffen, bestehend aus einem Oxyfuel-Dampfkraftwerk mit CO₂–Abtrennung, das mit einem MHTR-Kraftwerk gekoppelt ist, welches aus HTR-Modulen besteht. Das konventionelle Dampfkraftwerk mit Verbrennung von fossilen oder biogenen Brennstoffen ist mit einem MHTR-Kraftwerk über eine Elektrolyseanlage zur Erzeugung von Wasserstoff und Sauerstoff sowie über die Dampfleitung des MHTR-Abhitzekessels gekoppelt.
Ein Nachteil dieser Kopplung besteht darin, dass trotz aller verwendeten technischer Rafinessen der konventionelle Kraftwerksteil derjenige ist, der für eine gewisse Umweltbelastung verantwortlich ist.
Die Erfindung hat das Ziel, die Umweltbelastung durch mit fossilen oder auch biogenen Brennstoffen arbeitende Kraftwerke deutlich zuverringern. Die Erfindung hat die Aufgabe, die Nachteile des mit fossilen oder biogenen Stoffen arbeitenden Kraftwerkes im Wesentlichen zu überwinden. Es ist weiterhin die Aufgabe gestellt, den Betrieb in technisch einfacher Weise effektiv zu gestalten.
Der Erfindung liegt die Idee zugrunde, eine Solarthermie-Anlage mit einem MHTR-Kraftwerk zu koppeln. Die Vorteile können dann bestehen, dass die in ihrem Wirkungsgrad von äußeren Einflüssen abhängige Solarthermie-Anlage – hier ist die Sonneneinstrahlung zugrunde zu legen – mit einem in seinem Arbeitsprozeß gut steuerbaren Partner verbunden wird, wobei weitere Vorteile und Synergieeffekte entstehen und Einsatzmöglichkeiten in Industrie- und Entwicklungsländern gegeben sind.
Es ist erstaunlich, dass die Fachwelt neben der möglichen Kopplung von Oxyfuel-Kraftwerken mit MHTR-Kraftwerken diese Lösung bisher nicht erkannt hat. Der überraschende Effekt der auch synergistisch interessanten Kopplung einer Solarthermie-Anlage mit einem MHTR-Kraftwerk ist technisch einfach realisierbar und energetisch ausnehmend nützlich.
Die eingangs gestellte Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass ein Hybridkraftwerk geschaffen wird, das aus zwei Komponenten besteht, von denen die eine – das MHTR-Kraftwerk – an sich bekannt, ist, während die Solarthermie-Anlage in ihren Grundzügen zwar auch an sich bekannt ist, jedoch für den hier angegebenen Einsatz modifiziert wurde. Beide Anlagen sind miteinander in neuer und erfinderischer Weise gekoppelt
Es wird demzufolge eine Solarthermie-Anlage vorgeschlagen, die entsprechend bzw. arbeitet und mit einem MHTR-Kraftwerk gekoppelt ist. Das MHTR-Kraftwerk besteht aus sicheren HTR-Modulen, das sind Hochtemperaturreaktoren oder auch Kugelbettofen genannt. Die HTR-Module sind nicht nur inhärent- und proliferationssicher sowie relativ unproblematisch in der Entsorgung des Kernbrennstoffs, sondern ermöglichen auch hohe thermodynamische Wirkungsgrade und die Auskopplung von Hochtemperatur-Wärme.
Die Solarthermie-Anlage nach besteht aus einer Parabolrinnenanlage (5), einem Wärmespeicher (6) und einem Dampferzeuger (7). Der Dampf kann direkt in der Parabolrinnenanlage oder über einen Wärmeträger in einem Dampferzeuger erzeugt werden. Im letzteren Fall kann auch ein Wärmespeicher zwischengeschaltet sein.
Die Solarthermie-Anlage wird mit einem MHTR-Kraftwerk in der Weise gekoppelt, dass die Dampfleitung (8) den in der Solarthermie-Anlage erzeugten Dampf in die Dampfturbinenanlage der MHTR-Anlage einspeist. Bei der Variante nach erfolgt die Kopplung durch den Wärmeträger (9), die solare Dampferzeugung erfolgt wieder im Solar-Dampferzeuger (7), wobei dieser mit dem Abhitzekessel (3) den Dampferzeugungskomplex (10) bildet, wodurch eine einheitliche, effiziente Peripherie entsteht.
Die Kopplung qualifiziert die Arbeit des MHTR-Kraftwerkes in bisher nicht gekannter umweltfreundlicher Weise. Besondere Vorteile ergeben sich, wenn das nunmehr entstandene Solarthermische Hybridkraftwerk mit einer thermischen Wasseraufbereitungsanlage verbunden wird oder wenn Hochtemperatur(HT)-Wärme bereitgestellt werden soll.
Die Koppelstellen der beiden Teilkraftwerke sind die bisherigen, durch die Erfindung überwundenen Schwachstellen der beiden Einzelkraftwerke. Durch die Kopplung der beiden Kraftwerke einmal über die Dampf-Kupplung (8) und zum Anderen über die Solar-Wärmeträger-Kupplung (9) kann auch nachts bzw. bei geringer Sonneneinstrahlung ausreichend Strom und Wärme/Kälte zur Verfügung gestellt werden.
Durch die Kopplung und gemeinsame Nutzung von Anlagenkomponenten verringern sich die spezifischen Investitionskosten. Durch die Nutzung der Solarwärme wird der Verbrauch an Kernbrennstoff reduziert.
Der Wirkungsgrad wird bei dem Hybridkraftwerk durch Synergieeffekte noch weiter verbessert.
Die Kopplung der beiden Kraftwerksteile wird an Hand der Abbildungen näher erläutert.
Nach wird in der Solarthermie-Anlage wie üblich – in der Regel im Dampferzeuger (7) – Mitteldruck-Dampf erzeugt. Dieser wird jedoch nicht in der eigenen Turbine verstromt, sondern in der Hochleistungs-Turbine (4) des MHTR-Kraftwerkes. Die Turbine (4) wird außerdem mit dem Dampf des Abhitzekessels (3) versorgt.
Die Dampfkopplung (8) verbindet somit die Leistungsteile beider Systeme.
Durch die größeren Dampfdurchsätze bei Parallel-Betrieb beider Kraftwerksteile sind Turbinen-Wirkungsgradverbesserungen von mehreren Prozentpunkten möglich.
Durch die Einsparung der Turbine im solarthermischen Bereich verringern sich die Investitionskosten. Ebenso kann auf einen teuren Wärmespeicher (6) im Regelfall verzichtet werden, da eine ausreichende Energiebereitstellung in sonnenschwachen Zeiten durch den MHTR-Teil abgesichert ist.
Mit dem Anstieg der Solarthermie-Leistung kann der MHTR zur Einsparung von Kernbrennstoff zurück gefahren werden.
Durch die Verfügbarkeit von Hochtemperatur(HT)-Wärme verbessern sich die Einsatzmöglichkeiten des solarthermischen Hybridkraftwerkes auch in entsprechenden industriellen Bereichen.
Nach der in dargestellten technischen Lösung reduziert sich der solarthermische Komplex noch weiter. Von dem verbleibenden Parabolrinnen-Park (5) wird der Wärmeträger über das Leitungssystem (9) direkt in den MHTR-Teil eingekoppelt. Der jetzt bestehende einheitliche Dampferzeugerkomplex (10) ermöglicht durch die gemeinsame Nutzung der Peripherie Effizienzverbesserungen und Kosteneinsparungen.
Bezugszeichenliste

1: MHTR-Reaktor
2: Gasturbine
3: Abhitzekesselanlage
4: Dampfturbinenanlage
5: Parabolrinnenanlage
6: Wärmespeicher
7: Dampferzeuger
8: Dampf-Kopplung MHTR-Kraftwerk mit Solarthermieanlage
9: Solar-Wärmeträger-Kopplung MHTR-Kraftwerk mit Parabolrinnen-Park
10: Dampferzeuger-Komplex

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 19802660 [0003]
DE 69229839 T2 [0012]
DE 102007026570 [0014]

Claims

Solarthermisches Hybridkraftwerk wobei eine Solarthermie-Anlage mit einem MHTR-Kraftwerk gekoppelt ist.
Solarthermisches Hybridkraftwerk nach Anspruch 1, wobei die Kopplung in der technischen Realisierung der Übertragung von Dampf von der Solarthermie-Anlage in das MHTR-Kraftwerk besteht.
Solarthermisches Hybridkraftwerk nach Anspruch 1, wobei die Kopplung in der technischen Realisierung über die Wärmeträger-Wärme von der Parabolrinnen-Anlage in das MHTR-Kraftwerk besteht.
Solarthermisches Hybridkraftwerk nach Ansprüchen 1 und 2, wobei die Solarthermie-Anlage aus einer Parabolrinnenanlage (5), einem Dampferzeuger (7), einer Dampf-Verbundleitung (8) und ggf. einem Wärmespeicher (6) besteht.
Solarthermisches Hybridkraftwerk nach Ansprüchen 1 bis 3, wobei die Dampfturbinenanlage des MHTR-Kraftwerkes mit der Dampferzeugungsanlage der Solarthermie-Anlage durch eine Leitung (8) verbunden ist.
Solarthermisches Hybridkraftwerk nach Ansprüchen 1, 2 und 4, wobei der Dampferzeuger-Komplex (10) des MHTR-Kraftwerkes mit der Wärmeträgerleitung (9) der Parabolrinnen-Parks (5) verbunden ist.
Verfahren zum Erzeugen von Strom und Wärme, wobei in einer Solarthermie-Anlage, die aus einer Parabolrinnenanlage (5), einem Dampferzeuger (7), einer Dampf-Verbundleitung (8) und ggf. einem Wärmespeicher (6) besteht, erzeugter Solar-Dampf in eine Dampfturbinenanlage eines MHTR-Kraftwerkes eingespeist wird.
Verfahren zum Erzeugen von Strom und Wärme, wobei aus einer Parabolrinnen-Anlage (5) über die Wärmeträgerleitung (9) die Solarenergie direkt in den Dampferzeuger-Komplex des MHTR-Kraftwerkes eingekoppelt wird.