-
Die Erfindung betrifft ein Kraftwerk gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie ein Verfahren zur Erzeugung von Energie.
-
Ein derartiges Kraftwerk weist zumindest eine Brennkammer auf, die zur Erzeugung eines ersten wasserdampfhaltigen Stromes ausgebildet ist, insbesondere durch Verbrennen von gasförmigem Wasserstoff, eine erste Turbine, die dazu ausgebildet ist, durch Expansion jenes wasserdampfhaltigen ersten Stromes Energie zu erzeugen, einen mit der ersten Turbine verbundenen ersten Wärmeübertrager, der dazu ausgebildet ist, in einem zweiten Strom enthaltenes Wasser durch indirekten Wärmetausch mit dem aus der ersten Turbine kommenden ersten Strom zu Wasserdampf zu verdampfen, und eine zweite Turbine, die dazu ausgebildet ist, durch Expansion jenes wasserdampfhaltigen zweiten Stromes Energie zu erzeugen.
-
Zur Energieerzeugung sind die besagten Turbinen jeweils mit einem Generator verbunden, wobei die Turbinen dazu ausgebildet sind, den jeweiligen Generator zur Stromerzeugung anzutreiben.
-
Hiervon ausgehend liegt der vorliegenden Erfindung das Problem zugrunde, ein Kraftwerk bzw. ein Verfahren der eingangs genannten Art dahingehend weiterzubilden, dass die Verwertung von entstehender fühlbarer Wärme verbessert wird.
-
Dieses Problem wird durch ein Kraftwerk mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
-
Danach ist vorgesehen, dass das Kraftwerk einen insbesondere geschlossenen ersten Kreislauf zur Aufnahme eines ersten (strömungsfähigen) Arbeitsfluids (z. B. umfassend einen Kohlenwasserstoff) aufweist, der einen zweiten Wärmeübertrager aufweist, der dazu ausgebildet ist, jenes erste Arbeitsfluid gegen den aus dem ersten Wärmeübertrager kommenden ersten Strom zu verdampfen.
-
Das erste Arbeitsfluid kann z. B. R134a, Propan oder Propen aufweisen. Weiterhin kann das erste Arbeitsfluid auch CO2 oder NH3 aufweisen.
-
Des Weiteren kann das erste Arbeitsfluid auch ein Gemisch aus Propan und Propen aufweisen, wobei die Propankonzentration vorzugsweise 80 Vol-%, 60 Vol-%, 40 Vol-% oder 20 Vol-% beträgt, und wobei die Propenkonzentration bevorzugt entsprechend 20 Vol-%, 40 Vol-%, 60 Vol-% bzw. 80 Vol-% beträgt.
-
Neben Propan und Propen kann das erste Arbeitsfluid auch Ethan, Ethen, Butan oder Guten sowie aller erdenklichen Mischungen der vorgenannten Kohlenwasserstoffe enthalten.
-
Bevorzugt weist der besagte erste Kreislauf (z. B. Kohlenwasserstoffkreislauf) stromab des zweiten Wärmeübertragers einen ersten Expander auf, der dazu ausgebildet ist, durch Expansion des verdampften ersten Arbeitsfluids Energie zu erzeugen. Hierzu ist vorzugsweise ein entsprechender Generator vorgesehen, der dazu ausgebildet ist, zur Stromerzeugung von jenem Expander angetrieben zu werden.
-
Vorzugsweise weist der erste Kreislauf stromab des ersten Expanders einen weiteren Wärmeübertrager auf, der dazu ausgebildet ist, das aus dem ersten Expander kommende gasförmige erste Arbeitsfluid gegen ein Kühlmittel zu verflüssigen. Des Weiteren ist im ersten Kreislauf stromab des weiteren Wärmeübertragers eine erste Kreislaufpumpe zum Pumpen des verflüssigten ersten Arbeitsfluids (z. B. Kohlenwasserstoff) durch den besagten zweiten Wärmeübertrager vorgesehen.
-
Mit jenem zweiten Wärmeübertrager ist bevorzugt ein Abscheider verbunden, der stromab des zweiten Wärmeübertragers vorgesehen ist, und zur Aufnahme des aus dem zweiten Wärmeübertrager kommenden ersten Stromes dient, so dass sich im ersten Strom durch Kondensation im zweiten Wärmeübertrager gebildetes Wasser im Sumpf jenes Abscheiders sammelt. Der Sumpf des Abscheiders ist nun vorzugsweise über eine Quenchpumpe mit der Brennkammer verbunden, so dass jenes Wasser zum Kühlen der Brennkammer verwendet werden kann. Alternativ oder ergänzend kann der Sumpf des Abscheiders mit einer Elektrolyse-Einrichtung zur Wasserelektrolyse verbunden sein, so dass diese mit jenem Wasser beschickt werden kann.
-
In einer Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass die zweite Turbine mit dem zweiten Wärmeübertrager verbunden ist, so dass der aus der zweiten Turbine kommende zweite Strom zusammen mit dem ersten Strom in den zweiten Wärmeübertrager zum Verdampfen des ersten Arbeitsfluids einleitbar ist.
-
In einer alternativen Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass das Kraftwerk einen insbesondere geschlossenen zweiten Kreislauf zur Aufnahme eines zweiten Arbeitsfluids aufweist, der einen dritten Wärmeübertrager aufweist, der dazu ausgebildet ist, jenes zweite Arbeitsfluid gegen den aus der zweiten Turbine kommenden zweiten Strom zu verdampfen. Das zweite Arbeitsfluid kann wie das erste Arbeitsfluid gebildet sein bzw. die vorgenannten Stoffe aufweisen.
-
Bevorzugt ist wiederum vorgesehen, dass auch der zweite Kreislauf stromab des dritten Wärmeübertragers einen zweiten Expander aufweist, der dazu ausgebildet ist, durch Expansion des verdampften zweiten Arbeitsfluids Energie zu erzeugen. Hierzu treibt der zweite Expander insbesondere einen zugeordneten Generator zur Stromerzeugung an (siehe oben). Des Weiteren ist der besagte dritte Wärmeübertrager mit jenem Abscheider verbunden, der zur Aufnahme des aus dem dritten Wärmeübertrager kommenden zweiten Stromes ausgebildet ist, so dass sich im expandierten zweiten Strom durch Kondensation im dritten Wärmeübertrager gebildetes Wasser im Sumpf des Abscheiders sammelt und entsprechend weiterverwertet werden kann (siehe oben).
-
Weiterhin weist der zweite Kreislauf stromab des zweiten Expanders einen weiteren Wärmeübertrager auf, der dazu ausgebildet ist, den aus dem zweiten Expander kommenden gasförmigen zweiten Kohlenwasserstoff gegen ein Kühlmittel zu verflüssigen. Schließlich weist der zweite Kreislauf stromab seines weiteren Wärmeübertragers bevorzugt eine zweite Kreislaufpumpe zum Pumpen des verflüssigten zweiten Arbeitsfluids (z. B. Kohlenwasserstoff) durch den dritten Wärmeübertrager auf.
-
In einer alternativen Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass die zweite Turbine mit der Brennkammer verbunden ist, so dass der aus der zweiten Turbine kommende zweite Strom zum Kühlen der Brennkammer direkt in die Brennkammer einleitbar ist.
-
Weiterhin wird das der Erfindung zugrunde liegende Problem durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 7 gelöst.
-
Danach weist das erfindungsgemäße Verfahren die Schritte auf:
- – Erzeugen eines wasserdampfhaltigen ersten Stromes in einer Brennkammer, insbesondere durch Verbrennen von gasförmigen Wasserstoff,
- – Expandieren des ersten Stromes, insbesondere in einer ersten Turbine, zur Erzeugung von Energie,
- – Verdampfen von in einem zweiten Strom enthaltenen Wasser zu Wasserdampf durch indirekten Wärmetausch zwischen jenem zweiten Strom und dem (aus der ersten Turbine kommenden) expandierten ersten Strom,
- – Expandieren des zweiten Stromes, insbesondere in einer zweiten Turbine, zur Erzeugung von Energie,
- – Verdampfen eines in einem ersten Kreislauf geführten ersten Arbeitsfluids (insbesondere umfassend zumindest einen Kohlenwasserstoff) durch indirekten Wärmetausch mit dem zum Verdampfen des Wassers des zweiten Stromes verwendeten ersten Strom.
-
Vorzugsweise wird das verdampfte erste Arbeitsfluid (z. B. Kohlenwasserstoff) zur Erzeugung von Energie expandiert, insbesondere in einem ersten Expander (siehe oben), wobei jene Energie vorzugsweise mittels eines Generators in elektrische Energie (Strom) umgewandelt wird.
-
Weiterhin wird das expandierte erste Arbeitsfluid bevorzugt verflüssigt, und zwar insbesondere mittels eines indirekten Wärmetauschs zwischen dem ersten Arbeitsfluid und einem Kühlmittel. Sodann wird das verflüssigte erste Arbeitsfluid erneut durch indirekten Wärmetausch mit dem zum Verdampfen des Wassers des zweiten Stromes verwendeten ersten Strom verdampft (Kreislauf).
-
Vorzugsweise wird bei dem indirekten Wärmetausch zwischen dem ersten Strom und dem ersten Arbeitsfluid (z. B. Kohlenwasserstoff) im ersten Strom kondensierendes Wasser im Sumpf eines Abscheiders gesammelt, wobei jenes Kondensat zum Kühlen der Brennkammer und/oder für eine Wasserelektrolyse verwendet wird.
-
Gemäß einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen, dass dem besagten ersten Strom stromauf jenes indirekten Wärmetausches zwischen dem ersten Strom und dem ersten Arbeitsfluid der expandierte zweite Strom zugemischt wird.
-
In einer alternativen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen, dass ein in einem zweiten Kreislauf geführtes zweites Arbeitsfluid (z. B. ein Kohlenwasserstoff) durch indirekten Wärmetausch mit dem aus der zweiten Turbine kommenden expandierten zweiten Strom verdampft wird, wobei insbesondere das verdampfte zweite Arbeitsfluid zur Erzeugung von Energie expandiert wird, insbesondere in einem zweiten Expander, der bevorzugt einen zugeordneten Generator antreibt, der jene Energie in elektrische Energie (Strom) umsetzt (siehe oben).
-
Vorzugsweise wird weiterhin das expandierte zweite Arbeitsfluid verflüssigt, insbesondere durch indirekten Wärmetausch mit einem Kühlmittel, wobei insbesondere das verflüssigte zweite Arbeitsfluid erneut durch indirekten Wärmetausch mit dem expandierten zweiten Strom verdampft wird. Bevorzugt wird bei dem indirekten Wärmetausch zwischen dem expandierten zweiten Strom und dem zweiten Arbeitsfluid im zweiten Strom kondensierendes Wasser im Sumpf jenes Abscheiders gesammelt.
-
In einer weiteren alternativen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen, dass der expandierte zweite Strom zum Kühlen der Brennkammer in die Brennkammer eingeleitet wird.
-
Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung sollen durch die nachfolgenden Figurenbeschreibungen von Ausführungsbeispielen anhand der Figuren erläutert werden.
-
Es zeigen:
-
1 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Kraftwerkes; und
-
2 eine schematische Darstellung zweier weiterer erfindungsgemäßer Kraftwerke.
-
1 zeigt eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Kraftwerks 1. Dieses weist eine Brennkammer 10 auf, in der gasförmiger Wasserstoff (z. B. –20°C bis +100°C und 1,5 bar bis 60 bar) zur Erzeugung von Dampf verbrannt wird. Hierzu wird des Weiteren Luft (z. B. –20°C bis 550°C und 1,5 bar bis 60 bar) in die Brennkammer 10 eingespeist. Der hierbei entstehende überhitzte Hochdruckwasserdampf (z. B. 600°C bis 2000°C und 1,5 bar bis 60 bar) wird in Form eines ersten Stromes S einer ersten Turbine 20 (Hochtemperaturturbine) zugeleitet, in der der erste Strom S (Wasserdampf) unter Erzeugung von Energie expandiert wird (auf z. B. 400°C bis 650°C und 1,4 bar bis –1 bar, (Vakuum)). Die erste Turbine 20 ist dabei mit einem Generator 21 verbunden, der die erzeugte Energie in elektrische Energie (Strom) umsetzt. Der Wasserdampf (erster Strom S) wird dann in einen Rohrraum eines ersten Wärmeübertragers 30 (z. B. Geradrohrwärmeübertrager) eingeleitet und gegen einen aus Wasser abgebildeten zweiten Strom S' abgekühlt, beispielsweise auf 80°C bis 150°C. Das besagte Wasser (zweiter Strom S') wird hierbei in dem ersten Wärmeübertrager 30 verdampft und als Wasserdampf (z. B. 400°C bis 650°C und 220 bar bis 300 bar) einer zweiten Turbine 40 (Dampfturbine) zugeführt, in der dieser Wasserdampf (zweiter Strom S') ebenfalls zur Energieerzeugung expandiert wird (auf Sattdampftemperatur bei entsprechendem Druck z. B. 96,87°C und 0,9 bar, wobei der Druck dem Brennkammerdruck entspricht bzw. geringfügig höher ist oder dem Druck nach Turbine 20 entspricht), wobei die zweite Turbine 40 wiederum mit einem Generator 41 verbunden ist, der die erzeugte Energie in elektrische Energie (Strom) umsetzt. Der solchermaßen expandierte Wasserdampf (zweiter Strom S') kann dann zum Kühlen der Brennkammer 10 in die Brennkammer 10 zurückgeführt werden.
-
Der aus dem ersten Wärmeübertrager 30 kommende Wasserdampf (erster Strom S) mit beispielsweise einer Temperatur von 80°C bis 150°C wird in einen zweiten Wärmeübertrager 50 eines ersten (geschlossenen) Kreislaufs 2 eingegeben und dabei gegen ein im ersten Kreislauf 2 zirkulierendes erstes Arbeitsfluid K weiter abgekühlt und kondensiert (ca. 10°C bis 80°C). Das im ersten Kreislauf 2 zirkulierende Arbeitsfluid K wird hierbei verdampft und in einen ersten Expander 60 eingegeben, in dem das erste Arbeitsfluid K expandiert wird, wobei die dabei erzeugte Energie mittels eines mit dem ersten Expander 60 verbundenen Generators 63 in elektrische Energie (Strom) umgesetzt wird. Das expandierte (gasförmige) erste Arbeitsfluid K wird stromab des ersten Expanders 60 in einem Wärmeübertrager abgekühlt und kondensiert und mittels einer ersten Kreislaufpumpe 62 zurück zum zweiten Wärmeübertrager 50 geführt und dort sodann erneut gegen den ersten Strom S (Wasserdampf) verdampft.
-
Der kondensierte erste Strom S (Wasser) stromab des zweiten Wärmeübertragers 50 wird in einem Abscheider 80 gesammelt und kann aus dessen Sumpf 81 zur weiteren Verwendung abgezogen werden (z. B. bei 20°C bis 100°C und 1,1 bar bis –1 bar (Vakuum)).
-
Mögliche erste Arbeitsfluide K für den ersten Kreislauf
2 gemäß
1 sind in den Tabellen 1 und 2 jeweils in der zweiten Zeile aufgeführt. Tabelle 1
| Heizwert | 111900 | 111900 | 111900 | 111900 | 111900 |
| 1. und 2. Arbeitsfluid (K, K') | Ohne Kreislauf | R134a | Propan | 80/20 Propan/Propen | 60/40 Propan/Propen |
| Luftverdichter | –13510 | –13510 | –13510 | –13510 | –13510 |
| 1. Turbine (20) | 54580 | 54580 | 54580 | 54580 | 54580 |
| Quenchpumpe | –37 | –37 | –37 | –37 | –37 |
| BFW Pumpe | –435 | –435 | –435 | –435 | –435 |
| 2. Turbine (40) | 10530 | 10530 | 10530 | 10530 | 10530 |
| 1. Kreislauf (2) | | | | | |
| 1. Kreislaufpumpe (62) | | –196,7 | –446,3 | –525,6 | –609,7 |
| 1. Expander (60) | | 4144,34 | 4740,09 | 5593,28 | 6404,1 |
| 2. Kreislauf (3) | | | | | |
| 2. Kreislaufpumpe (102) | | –190,5 | –300 | –340,2 | –355,2 |
| 2. Expander (100) | | 2081,7 | 2057,92 | 2256,94 | 2325,7 |
| Summe | 51128 | 56966,84 | 57179,71 | 58112,42 | 58892,9 |
| Wirkungsgrad | 45,69 | 50,91 | 51,1 | 51,93 | 52,63 |
Tabelle 2
| Heizwert | 111900 | 111900 | 111900 | 111900 | 111900 |
| 1. und 2. Arbeitsfluid (K; K') | 40/60 Propan/Propen | 20/80 Propan/Propen | Propen | CO2 | NH3 |
| Luftverdichter | –13510 | –13510 | –13510 | –13510 | –13510 |
| 1. Turbine (20) | 54580 | 54580 | 54580 | 54580 | 54580 |
| Quenchpumpe (83) | –37 | –37 | –37 | –37 | –37 |
| BFW-Pumpe (31) | –435 | –435 | –435 | –435 | –435 |
| 2. Turbine (40) | 10530 | 10530 | 10530 | 10530 | 10530 |
| 1. Kreislauf (2) | | | | | |
| 1. Kreislaufpumpe (62) | –649 | –674,5 | –672,7 | –17600 | –108,8 |
| 1. Expander (60) | 6730 | 6906,57 | 6461,93 | 17598,3 | 3406,97 |
| 2. Kreislauf (3) | | | | | |
| 2. Kreislaufpumpe (102) | –374,8 | –392,9 | –397 | –10030 | –68,91 |
| 2. Expander (100) | 2422,67 | 2507,53 | 2376,62 | 6252,02 | 1344,86 |
| Summe | 59256,87 | 59474,7 | 58896,85 | 47348,32 | 55702,12 |
| Wirkungsgrad | 52,96 | 53,15 | 52,63 | 42,31 | 49,78 |
-
2 zeigt eine Abwandlung des in der 1 gezeigten Kraftwerkes 1. Hierbei wird der aus der zweiten Turbine 40 kommende expandierte zweite Strom S' (Wasserdampf) nicht in die Brennkammer 10 zurückgeführt, sondern stromab des ersten Wärmeübertragers 30 dem ersten Strom S zugegeben und zusammen mit diesem in den zweiten Wärmeübertrager 50 eingeleitet, wo der erste und der zweite Strom S, S' gegen das im ersten Kreislauf 2 zirkulierende erste Arbeitsfluid K abgekühlt werden, wobei jenes erste Arbeitsfluid verdampft wird (siehe oben).
-
Zum Kühlen der Brennkammer 10 wird nunmehr gemäß 2 Quenchwasser verwendet, das mit einer Quenchpumpe 82 über einen Wärmetauscher 83 zum Vorwärmen des Quenchwassers in die Brennkammer 10 eingeleitet wird. Für das Quenchwasser kann z. B. auch das im Sumpf 81 des Abscheiders 80 gesammelte Kondensat des ersten Stromes S (Wasser) verwendet werden. Weiterhin kann das im Abscheider 80 gesammelte Wasser auch in einer Elektrolyseeinrichtung zur Wasserelektrolyse verwendet werden.
-
Eine Abwandlung des Kraftwerkes gemäß 2 (optionaler zweiter Kreislauf 3 in gestrichelten Linien) sieht vor, dass der aus der zweiten Turbine 40 kommende expandierte zweite Strom S' (Wasserdampf) nicht dem ersten Strom S zugegeben wird, wie vorstehend beschrieben, sondern in einen dritten Wärmeübertrager 90 gegeben wird, um ein in einem geschlossenen zweiten Kreislauf 3 zirkulierendes zweites Arbeitsfluid K' zu verdampfen, wobei das verdampfte zweite Arbeitsfluid K' wiederum in einen zweiten Expander 100 gegeben wird, dort zur Erzeugung von Energie expandiert wird und über einen Wärmeübertrager 101 zum Verflüssigen des zweiten Arbeitsfluides K' und eine zweite Kreislaufpumpe 102 zurück in den dritten Wärmetauscher 90 gegeben wird. Der zweite Expander 100 ist wiederum mit einem Generator 103 verbunden, der die im Expander 100 erzeugte Energie in elektrische Energie (Strom) umsetzt.
-
Als zweites Arbeitsfluid K' können z. B. die in den Tabellen 1 und 2 jeweils in der zweiten Zeile genannten Arbeitsfluide verwendet werden.
-
Die Tabellen 1 und 2 zeigen exemplarisch die Leistungsauf- und -abgaben der einzelnen Komponenten des Kraftwerkes 1 in Kilowatt. Wie den beiden Tabellen 1 und 2 zu entnehmen ist, können mittels der meisten Arbeitsfluide K, K' Steigerungen im Wirkungsgrad gegenüber einem Kraftwerk erzielt werden, das die beiden geschlossenen Kreisläufe 2, 3 nicht aufweist.
-
Der mit der ersten Turbine
20 verbundene Generator
21 kann weiterhin einen Verdichter
11 zum Verdichten der in die Brennkammer
10 einzuleitenden Luft antreiben. Bezugszeichenliste
| 1 | Kraftwerk |
| 2 | Erster Kreislauf |
| 3 | Zweiter Kreislauf |
| 10 | Brennkammer |
| 11 | Luftverdichter |
| 20 | Erste Turbine (Hochtemperatur) |
| 21 | Generator |
| 30 | Erster Wärmeübertrager |
| 31 | BFW-Pumpe |
| 40 | Zweite Turbine |
| 41 | Generator |
| 50 | Zweiter Wärmeübertrager |
| 60 | Erster Expander |
| 61 | Wärmeübertrager |
| 62 | Erste Kreislaufpumpe |
| 63 | Generator |
| 80 | Abscheider |
| 81 | Sumpf |
| 82 | Quenchpumpe |
| 83 | Quenchvorwärmer (Wärmeübertrager) |
| 90 | Dritter Wärmeübertrager |
| 100 | Zweiter Expander |
| 101 | Wärmeübertrager |
| 102 | Zweite Kreislaufpumpe |
| K | Erstes Arbeitsfluid |
| K | Zweites Arbeitsfluid |
| S | Erster Strom |
| S' | Zweiter Strom |
