DE102011121341A1

DE102011121341A1 - Dampfkraftprozess mit schnellaktivierbarer Leistungsreserve für die Elektroenergieerzeugung im Kreisprozess

Info

Publication number: DE102011121341A1
Application number: DE201110121341
Authority: DE
Inventors: Auf Nichtnennung Antrag
Original assignee: RERUM COGNITIO INST GmbH; RERUM COGNITIO Institut GmbH
Current assignee: RERUM COGNITIO INST GmbH; RERUM COGNITIO Institut GmbH
Priority date: 2011-12-19
Filing date: 2011-12-19
Publication date: 2013-06-20

Abstract

Die Erfindung betrifft ein auf den Dampfkraftprozess bezogenes thermisches Verfahren, welches durch spezielle Modifikationen in der Lage ist, kurzfristig zusätzlich elektrische Leistung beispielsweise in der Spitzenlast zu liefern, wodurch eine bessere Netzanpassung und eine höhere Flexibilität entsteht. Eine derartige Lösung wird im Bereich der Energiewirtschaft benötigt. Mit dem Ausstieg aus der Atomenergiewandlung wächst der Bedarf an alternativer Elektroenergiegewinnung. Wind und Sonne stehen neben der Biomasse, Geothermie und Wasserkraft hierfür zur Verfügung. Probleme bereiten die Abstimmungen zwischen dem Aufkommen von Wind und Sonne mit dem Bedarf an Elektroenergie im Netz. Aufgabe ist, den bewährten Dampfkraftprozess in seiner Flexibilität zu verbessern, indem nach der Hochdruckturbine und nochmaliger Überhitzung ein Nachbrenner mittels direkter Verbrennung von Wasserstoff und Sauerstoff das Arbeitsfluid auf Gasturbinen-Temperaturniveau erhöht, welches sich dann in einer speziell gekühlten Gasturbine entspannt, anschließend kondensiert und dann den weiteren üblichen Verlauf nimmt. Mit der Reihenfolge Dampf- und Gasturbinen Prozess entsteht die Umkehrung vom Gas- und Dampfturbinen Prozess. Der DuG Prozess kann alle preiswerten Brennstoffe nutzen und benötigt für den Nachbrenner Wasserstoff und Sauerstoff aus der Elektrolyse von Überschuss-Strom.

Description

Die Erfindung betrifft ein auf den Dampfkraftprozess bezogenes thermisches Verfahren, welches durch spezielle Modifikationen in der Lage ist, kurzfristig zusätzlich elektrische Leistung beispielsweise in der Spitzenlast zu liefern, wodurch eine bessere Netzanpassung und eine höhere Flexibilität entsteht. Eine derartige Lösung wird in erster Linie im Bereich der Energiewirtschaft benötigt.
Mit dem Ausstieg aus der Atomenergiewandlung wächst der Bedarf an alternativer Elektroenergiegewinnung. Wind und Sonne stehen neben der Biomasse, Geothermie und Wasserkraft hierfür zur Verfügung. Probleme bereiten die Abstimmungen zwischen dem Aufkommen von Wind und Sonne mit dem Strombedarf im Netz. Vorhandene Divergenzen bedürfen Ausgleich. Moderne zukünftige Kraftwerksprozesse müssen bei hoher Effizienz und niedrigen Emissionen leistungsflexibel arbeiten können. Die klassische Trennung zwischen Grund-, Mittel-, und Spitzenlast wird durch die wetterabhängigen Einspeisungen zusätzlich belastet, sodass Handlungsbedarf entsteht. Pumpspeicherwerke verlangen aus geologischer und ökologischer Sicht spezielle örtliche Voraussetzungen, weswegen diese Speicherart nur ein Teil kompensieren kann. Notwendige Dampfreserven kosten Geld, senken die Prozesseffizienz und belasten die Umwelt, was ja eigentlich durch die alternative Energienutzung vermieden werden soll. Im Rahmen des Forschungsprojektes ”H2/O2-Dampferzeuger zur Momentanreserve in Dampfkraftwerken, Sternfeld, H. J. (1992)” konnte praktisch nachgewiesen werden, das die interne Verbrennung von Wasserstoff und Sauerstoff zur Verdampfung von Kondensat als Momentanreserve nutzbar ist, aber aus damaliger Sicht unrentabel war. Zwanzig Jahre später haben sich die ökonomischen und technischen Randbedingungen durch Klimawandel, technischen Fortschritt, anstehendem Atomausstieg und alternativen Energiequellen verändert. Die schnellaktivierbare Momentanreserve wird wieder interessant, vergrößert aber insgesamt den Anlagen-Massendurchsatz, was die Abgabeleistung der Turbinen erhöht, aber nachteilig auch den Kondensator direktproportional vergrößert, eine Nachrüstung bestehender Anlagen dadurch erschwert und kaum die Prozesseffizienz verbessert, da die Grenztemperaturen unverändert bleiben. Bestünde die Möglichkeit, kurzfristig Leistung zu aktivieren und zusätzlich noch die Prozesseffizienz zu verbessern, würde das im Vergleich zum Stand der Technik eine markante Verbesserung bedeuten.
Es ist deshalb Aufgabe der Erfindung, den Dampfkraftprozess mit schnellaktivierbarer Leistungsreserve so zu gestalten, das bei moderater Kondensator Vergrößerung dennoch eine Leistungs- und Effizienzsteigerung erreicht werden kann. Die Aufgabe wird erfindungsgemäß im Wesentlichen durch die kennzeichnenden Merkmale der Ansprüche 1 bis 9 gelöst. Nutzt man wie bei der Momentanreserve die Verbrennung von Wasserstoff und Sauerstoff zur Verdampfung und Überhitzung des Arbeitsfluids, so erhöht sich bei gleichen Prozessgrenztemperaturen der Massendurchsatz mit den Größenfolgen für Turbine und Kondensator. Der aus energetischer Sicht betrachtete prozessbedingte Nachteil, im Zyklus auch noch die zusätzliche Arbeitsfluidmenge verdampfen und wieder kondensieren zu müssen, bleibt erhalten. Besser ist es, die innere Verbrennung von Wasserstoff und Sauerstoff nur zur Temperaturerhöhung von bereits überhitzten Dampf aus der Mitteldruckstufe (ca. 30–50 bar) als Nachbrenner zu nutzen und diesen dann anschließend in einer speziell gekühlten Gasturbine bis zum Kondensationsdruck zu entspannen. Diese Modifikation lässt nur den Dampfdurchsatz um die Abgasmenge aus der Verbrennung ansteigen, erhöht die Prozess-Grenztemperatur, was sich positiv auf die Effizienz auswirkt und nutzt das Temperaturpotential der internen Verbrennung von Wasserstoff und Sauerstoff besser aus. Somit entsteht aus der Reihenfolge des Prozessverlaufs im Gegensatz zum Gas- und Dampfturbinen Prozess ein Dampf- und Gasturbinen Prozess, der mit dem jeweils betriebenen Brennstoffen nach dem Stand der Technik die thermische Verdichtung, die Überhitzung im Hoch- und Mitteldruckbereich übernimmt, dann mittels Nachbrenner durch innerer Verbrennung von Wasserstoff und Sauerstoff das Arbeitsfluid auf Maximaltemperatur erwärmt und in der speziell gekühlten Gasturbine mit interner Oberflächen-Verdampfung bis zum Kondensationsdruck entspannt. Dann folgen die üblichen Prozessschritte Kondensation, Druckerhöhung, Aufbereitung und Vorwärmung des Kondensats bis zur Verdampfung im Kessel, von wo ab der Prozess von Neuem beginnt. Mit der Entnahme des Abgaskondensats nach entsprechender Druckanpassung und der Rückführung zur Elektrolyse mit Speicher ist auch dieser Prozessverlauf geschlossen.
Je nach geplanter Leistungsreserve, ob kleinere Teilmengen oder der gesamte Mitteldruck-Massendurchsatz hierfür benötigt werden, sind Umbaumaßnahmen erforderlich, die sich aber positiv auf die Funktionalität eines Kraftwerkes auswirken. Der Betreiber einer solchen Anlage kauft Strom zu Zeiten des Überangebots günstig auf oder braucht seinen gar nicht erst zu verschleudern, wenn er ihn elektro-chemisch speichern, ihn bei Abnahmebedarf mit erhöhter Effizienz wieder verstromen und ihn für gute Konditionen verkaufen kann. Durch die hohe Verbrennungstemperatur, der direkte Wärmeübergang im Nachbrenner, die Modulierbarkeit der Flamme verbunden mit einer temperaturresistenten Gasturbine steht eine schnellaktivierbare Leistungsreserve zur Verfügung.
Somit löst die vorgeschlagene Prozessführung die gestellten Aufgaben.
Es können vorhandene Grundlastkraftwerke schrittweise in Abhängigkeit des Speicherbedarfs umgerüstet werden, was einerseits die alternativen Energiequellen mit ihren disparaten Einspeisungen fördert und andererseits die bestehenden noch nicht abgeschriebenen Kraftwerke weiterhin als Übergangstechnologie nutzen lässt.
1 ein schematisches Blockschaltbild des Dampfkraftprozesses mit schnellaktivierbarer Leistungsreserve für die Elektroenergieerzeugung im Kreisprozess
Bezugszeichenliste

1: Überhitzer 1
2: Hochdruckdampfturbine
3: Überhitzer 2
4: Nachbrenner
5: Heißgasturbine
6: Kondensator
7: Kondensatpumpe
8: Dampf
9: Wasserstoff
10: Sauerstoff
11: Kondensat
12: Verbrennungs-Abgasanteil
13: Kessel

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 Nicht-Patentliteratur

H2/O2-Dampferzeuger zur Momentanreserve in Dampfkraftwerken, Sternfeld, H. J. (1992) [0002]

Claims

Dampfkraftprozess mit schnellaktivierbarer Leistungsreserve für die Elektroenergieerzeugung im Kreisprozess, bestehend aus den Grundkomponenten des Dampfkraftprozesses mit Zwischenüberhitzung und Kondensatvorwärmung und betrieben mit dem Arbeitsfluid Wasser im flüssigen und gasförmigen Zustand dadurch gekennzeichnet, dass der Dampf (8) je nach geplanter Kapazität komplett oder als Teilstrom aus dem Mitteldruck-Erhitzer (3) kommend beispielsweise mit einen Druck von 50 bar und 540°C in einem Nachbrenner (4) strömt, indem direkt Wasserstoff (9) und Sauerstoff (10) in Wasserdampfatmosphäre verbrennt, dabei bei gleichem Druck das Arbeitsfluid beispielsweise auf 1200°C erwärmt und sich dabei mit dem Abgas vermischt.
Dampfkraftprozess mit schnellaktivierbarer Leistungsreserve für die Elektroenergieerzeugung im Kreisprozess nach dem Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die Heißgasteile im Nachbrenner (4) durch Oberflächenverdampfung von druckangepasstem Kondensat (11) erfolgt.
Dampfkraftprozess mit schnellaktivierbarer Leistungsreserve für die Elektroenergieerzeugung im Kreisprozess nach dem Anspruch 1 und 2 dadurch gekennzeichnet, dass der Nachbrenner (4) unmittelbar am Eingang der Heißgasturbine (5) platziert wird, um kurze verlustarme Heißgaswege zu erhalten.
Dampfkraftprozess mit schnellaktivierbarer Leistungsreserve für die Elektroenergieerzeugung im Kreisprozess nach dem Anspruch 1 bis 3 dadurch gekennzeichnet, dass in der Heißgasturbine (5) die Oberflächen der Leit- und Laufschaufeln mit aufbereitetem Kondensat (11) durch Kapillare benetzt werden, dann beim Verdampfen die Schaufeln kühlen, indem sich die Energieeinträge durch die Strömung von den Energiebeträgen für den Phasenwechsel auf den Oberflächen ausgleichen, somit die Materialtemperaturen trotz höchster Arbeitsfluidtemperaturen im Bereich der Siedetemperatur des jeweiligen Druckes bleiben, bei 50 bar etwa 240°C, wodurch die Heißgasturbine (5) temperaturresistent wird, da mit zunehmenden Arbeitsfluidtemperaturen nur die Verdampfungsmengen erhöht werden müssen.
Dampfkraftprozess mit schnellaktivierbarer Leistungsreserve für die Elektroenergieerzeugung im Kreisprozess nach dem Anspruch 1 bis 4 dadurch gekennzeichnet, dass sich der verdampfende Kühlanteil mit dem Arbeitsfluid Stufe für Stufe in der Heißgasturbine (5) vermischen, was sich nachfolgend durch den erhöhten Massendurchsatz positiv auf die Turbinenabgabeleistung auswirkt.
Dampfkraftprozess mit schnellaktivierbarer Leistungsreserve für die Elektroenergieerzeugung im Kreisprozess nach dem Anspruch 1 bis 5 dadurch gekennzeichnet, dass die Reihenfolge erst Hochdruckdampfturbine (2) und dann Heißgasturbine (5) die Nutzung der üblichen Brennstoffe als Grundlast ermöglicht und mit der zusätzlichen direkten, schnellen und gut modulierbaren Verbrennung von Wasserstoff (9) und Sauerstoff (10) die Spitzenlast bedienen kann.
Dampfkraftprozess mit schnellaktivierbarer Leistungsreserve für die Elektroenergieerzeugung im Kreisprozess nach dem Anspruch 1 bis 6 dadurch gekennzeichnet, dass der Brennwert von Wasserstoff (9) weitestgehend im Prozessverlauf durch die Vermischung Abgas und Dampf (8) mit anschließender Entspannung in der Heißgasturbine (5) genutzt wird, was einen guten Wiederverstromungsfaktor bewirkt.
Dampfkraftprozess mit schnellaktivierbarer Leistungsreserve für die Elektroenergieerzeugung im Kreisprozess nach dem Anspruch 1 bis 7 dadurch gekennzeichnet, dass der Verbrennungs-Abgasanteil (12) nach der Verflüssigung im Kondensator (6) und nach entsprechender Aufbereitung und Druckanpassung mittels Kondensatpumpe (7) abgeleitet wird, um von Neuem Stromdisparitäten zur Wasserstoffgewinnung zu elektrolysieren.
Dampfkraftprozess mit schnellaktivierbarer Leistungsreserve für die Elektroenergieerzeugung im Kreisprozess nach dem Anspruch 1 bis 8 dadurch gekennzeichnet, dass der Dampfkraftprozess mit schnellaktivierbarer Leistungsreserve auch mit einem Gasturbinenprozess kombiniert werden kann, sodass der Kessel (13) mit den Abgasen der Gasturbinen beheizt wird.