DE102012103703A1

DE102012103703A1 - Solarthermie/Kombinationszyklus-Hybridkraftwerk und Solarreformer zur Verwendung darin

Info

Publication number: DE102012103703A1
Application number: DE102012103703A
Authority: DE
Inventors: Wei Wei; Lingzhi Zhang; Parag Prakash Kulkarni
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2011-04-28
Filing date: 2012-04-26
Publication date: 2012-11-22
Also published as: CN102777220A; US20120274078A1; US8674532B2

Abstract

Es werden ein Solarthermie/Kombinationszyklus-(CSCC)-Hybridkraftwerk auf der Basis von Solarreformierungstechnologie, ein Verfahren zur Erzeugung von Elektrizität unter Nutzung des Systems und ein Solarreformer zur Nutzung in dem System bereitgestellt. Das System ermöglicht die Integration einer Solarthermieanlage (CSP) und einer Kombinationszyklus-Gasturbinen-(CCGT)-Stromerzeugungsanlage, was zu einem Hybridsystem führt, das bekannte Probleme in Bezug auf eine Solarthermie-Stromerzeugung in großem Maßstab korrigiert. Der Solarreformer sorgt für die Speicherung von Solarenergie in einem Reformatbrennstoff während der Reformierungsreaktion und eine anschließende Freisetzung durch eine Gasturbinenverbrennungsreaktion. Von den in die Gasturbinenstromerzeugungsanlage geleiteten Brennstoffen kann zwischen einem Kohlenwasserstofffluid und dem Reformatbrennstoff abhängig von verfügbarer solarthermischer Energie gewechselt werden.

Description

HINTERGRUND ZU DER ERFINDUNG
Die Erfindung betrifft im Wesentlichen Stromerzeugungssysteme, und insbesondere Hybrid-Solarstromerzeugungssysteme.
Konzentrierte Sonnenenergie (CSP) bzw. Solarthermie wird derzeit als die wirtschaftlichste und effizienteste Möglichkeit zur Erzeugung von Elektrizität aus Solarenergie in großem Maßstab betrachtet. Es gibt jedoch neben den hohen Kapitalkosten von Solarkollektorsystemen noch erhebliche Herausforderungen, die den breiten Einsatz der CSP-Technologie für die Stromerzeugung im großen Maßstab einschränken. Eine derartige Herausforderung bei der derzeitigen Generation von Solarkraftwerken ist der niedrige Produktionskapazitätsfaktor aufgrund der intermittierenden Natur der Solarenergie. Diese intermittierende Natur der Solarenergie führt dazu, dass in den CSP-Kraftwerken teuere Dampfturbinenzyklussysteme bis zu 75 % der Zeit im Leerlauf sind. Der geringe Nutzungsgrad der Energieinsel führt zu einer sehr niedrigen Kapitalrendite (ROI) des Kraftwerksystems und beeinflusst daher negativ die Wirtschaftlichkeit des CSP-Kraftwerks.
Eine weitere Herausforderung bei der derzeitigen Generation von Solarkraftwerken besteht darin, dass die Einführung großer Mengen erneuerbarer Energie in das Netz oft eine zusätzliche auf Erdgas basierende Unterstützungs- oder Reservekapazität erfordert, um die intermittierende Natur der erneuerbaren Energie zu kompensieren und Stabilität für das Netz bereitzustellen. Aus der Sicht von Netzbetreibern und Verbrauchern ist diese Kapazitätsredundanz eine weitere versteckte Quelle hoher Elektrizitätskosten als Folge der Einführung von mehr erneuerbarer Energie in das Netz. Derartige Reservekraftwerke arbeiten typischerweise bei niedrigen Kapazitätsfaktoren und verwenden nur Einfachzyklusgasturbinen, die einen geringeren Wirkungsgrad haben und daher mehr CO₂ pro MWh als Kombinationszyklusgasturbinen-(CCGT)-Anlagen emittieren. Um den geringen Kapazitätsfaktor der konzentrierten Solarenergie zu umgehen, wurden Wärmespeichertechnologien auf der Basis von geschmolzenem Salz vorgeschlagen und in kleinem Maßstab demonstriert; diese Systeme erfordern jedoch eine zusätzliche Technologieentwicklung vor ihrer Nutzung in großem Maßstab, um die hohen Anfangskapitalkosten und die niedrigen Wärmewirkungsgrade aufgrund der Nutzung von indirekter Wärmeübertragung und von Dampfturbinenzyklen zu überwinden.
Bezüglich des Solarreformers wurden Konzepte für Solarreformierung im kleinen Maßstab, welche auf Wasserstofferzeugung durch Ultrahochtemperaturdampf-Methanreformierung abzielt, versucht. Obwohl es möglicherweise für Kleinmaßstabs-Anwendungen ausreichend ist, ist dieses Konzept aufgrund der hohen Kosten der solarthermischen Heizsysteme und des hohen Verbrauchs von Wasser nicht für Stromerzeugungsszenarien geeignet.
Es wäre daher wünschenswert, ein verbessertes Hybrid-Solarstromerzeugungssystem bereitzustellen, das die vorgenannten Probleme bezüglich einer solarthermischen Stromerzeugung im großen Maßstab korrigiert.
KURZBESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Kurz gesagt, besteht ein Aspekt der vorliegenden Erfindung in einem elektrischen Stromerzeugungssystem, das eine solarthermische Anlage (CSP – concentrated solar power) mit einem Solarfeld und einem Dampfgenerator, einen Solarreformer und eine Kombinationszyklus-Gasturbinen-(CCGT)-Stromerzeugungsanlage zur Erzeugung von Elektrizität umfasst. Der Solarreformer ist dafür eingerichtet, Solarenergie aus dem Solarfeld und ein Kohlenwasserstofffluid als einen ankommenden Reaktantenstrom aufzunehmen. Der Solarreformer wandelt die Solarenergie und den ankommenden Reaktantenstrom in thermische Energie und in chemische Energie mittels eines Reformierungsprozesses zur Erzeugung eines Reformatbrennstoffs um. Das Kombinationszyklusgasturbinen-(CCGT)-Kraftwerk ist dafür eingerichtet, ein Kohlenwasserstofffluid und den Reformatbrennstoff aus dem Solarreformer aufzunehmen und ein Verbrennungsabgas zu emittieren. Das Kombinationszyklusgasturbinenkraftwerk ist so eingerichtet, dass es auf der Basis von wenigstens entweder dem Kohlenwasserstofffluid und/oder dem Reformatbrennstoff in Reaktion auf die Verfügbarkeit von Solarenergie für den Solarreformer arbeiten kann. Der Dampfgenerator ist dafür eingerichtet, das aus dem Kombinationszyklusgasturbinenkraftwerk emittierte heiße Abgas aufzunehmen, um Elektrizität zu erzeugen.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung umfasst ein Verfahren zum Erzeugen elektrischen Stroms, welches enthält: Steuern eines Flusses eines Kohlenwasserstofffluids zwischen einer Brennkammer eines Kombinationszyklusgasturbinenkraftwerks und einem Solarreformer, Reformieren des Kohlenwasserstofffluids in dem Solarreformer durch Umwandeln der Solarenergie und des Kohlenwasserstofffluids in thermische Energie und chemische Energie mittels eines Reformierungsprozesses, um einen Reformatbrennstoff zu erzeugen, Liefern des Reformatbrennstoffs an ein Kombinationszykluskraftwerk und Liefern des heißen Abgases an einen Dampfgenerator. Der Solarreformer ist dafür eingerichtet, Solarenergie aus einem Solarfeld und das Kohlenwasserstofffluid aufzunehmen. Die Kombinationszyklus-Gasturbinenstromerzeugungsanlage ist dafür eingerichtet, eines von dem Kohlenwasserstofffluid und dem Reformatbrennstoff aus dem Solarreformer aufzunehmen und heißes Abgas zu emittieren. Der Dampfgenerator ist dafür eingerichtet, das von der Kombinationszyklus-Gasturbinenstromerzeugungsanlage emittierte heiße Abgas aufzunehmen und Elektrizität zu erzeugen. Die Kombinationszyklus-Gasturbinenstromerzeugungsanlage ist derart eingerichtet, dass sie auf der Basis von wenigstens einem von dem Kohlenwasserstofffluid und dem Reformatbrennstoff in Reaktion auf die Verfügbarkeit von Solarenergie für den Solarreformer arbeiten kann.
Noch ein weiterer Aspekt der Erfindung umfasst einen Solarreformer, der dafür eingerichtet ist, Solarenergie aus dem Solarfeld und ein Kohlenwasserstofffluid als einen ankommenden Reaktantenstrom aufzunehmen, wobei der Solarreformer die Solarenergie und den ankommenden Reaktantenstrom in thermische Energie und chemische Energie mittels eines Reformierungsprozesses zum Erzeugen eines Reformatbrennstoffs umwandelt. Der Solarreformer enthält eine konusförmige Öffnung, die dafür eingerichtet ist, die aufgenommene Solarenergie durch ein Quarzfenster hindurch und in eine Reformierungskammer hinein zu konzentrieren, einen Reformierungskatalysator, der in der Reformierungskammer angeordnet ist, und eine koaxiale Rohr-in-Rohr-Leitung in Fluidverbindung mit der Reaktionskammer, die dafür eingerichtet ist, einen Einlass für den ankommenden Reaktantenstrom und einen Auslass für den Reformatbrennstoff bereitzustellen. Der Solarreformer kann so betrieben werden, dass er eine Kombinationszyklus-Gasturbinenstromerzeugungsanlage im Falle des Vorhandenseins von Solarenergie betreibt.
Diese und weitere Merkmale und Verbesserungen der vorliegenden Anmeldung werden für den Fachmann bei Durchsicht der nachstehenden detaillierten Beschreibung in Verbindung mit den verschiedenen Zeichnungen und den beigefügten Ansprüchen ersichtlich.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die vorstehenden und weitere Merkmale, Aspekte und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden besser verständlich, wenn die nachstehende detaillierte Beschreibung unter Bezugnahme auf die beigefügten Ansprüche gelesen wird, in welchen gleiche Bezugszeichen gleiche Teile durchgängig durch die Zeichnungen bezeichnen, in welchen zeigen:
1 eine schematische Ansicht eines Solarthermie/Kombinationszyklus-Hybridkraftwerks gemäß einer Ausführungsform;
2 ein Flussdiagramm, das ein Verfahren zum Betreiben eines Solarthermie/Kombinationszyklus-Hybridkraftwerks gemäß einer Ausführungsform veranschaulicht;
3 schematisch in isometrischer Ansicht einen Solarreformer zur Verwendung in einem Solarthermie/Kombinationszyklus-Hybridkraftwerk gemäß einer weiteren Ausführungsform;
4 schematisch in isometrischer Ansicht einen Solarreformer zur Verwendung in einem Solarthermie/Kombinationszyklus-Hybridkraftwerk gemäß einer weiteren Ausführungsform;
5 in einer graphischen Ansicht den solarbetriebenen Anteil einer Gesamtlast an einem Stromerzeugungssystem während eines typischen Tages gemäß einer Ausführungsform; und
6 in einer graphischen Ansicht den Wirkungsgrad des Solarthermie/Kombinationszyklus-Hybridsystems bezüglich des Gesamtwirkungsgrades gemäß einer Ausführungsform.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Wie nachstehend im Detail erläutert, haben Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung die Funktion, effiziente Mittel für die Erzeugung von Elektrizität in einem Kraftwerk bereitzustellen, das Solarenergie und Erdgas nutzt. Dargestellt wird ein Konzept eines Solarthermie/Kombinationszyklus-Hybridkraftwerks auf der Basis einer Solarreformierungstechnologie, das die Integration einer Solarthermieanlage und einer Erdgaskombinationszyklusanlage ermöglicht, was zu einem Hybridsystem führt, das bekannte Probleme in Bezug auf solarthermische Stromerzeugung in großem Maßstab korrigiert. Sonnenenergie kann in dem Reformatbrennstoff während der Reformierungsreaktion gespeichert und durch eine Gasturbinenverbrennungsreaktion wieder freigesetzt werden. Unter den in die Kombinationszyklus-Gasturbinenstromerzeugungsanlage geleiteten Brennstoffen kann abhängig von der verfügbaren Solarwärmeenergie zwischen Erdgas und dem Reformatbrennstoff gewechselt werden. Wenn Solarwärmeenergie reichlich zur Verfügung steht, könnte das System auf der Basis des in die Kombinationszyklus-Gasturbinenstromerzeugungsanlage geleiteten Reformatbrennstoffstroms betrieben werden. Wenn keine Solarwärmeenergie zur Verfügung steht, könnte das System auf der Basis einer direkt in die Kombinationszyklus-Gasturbinenstromerzeugungsanlage gelieferten Standardbrennstoffströmung betrieben werden. Dieser doppelte Betriebsmodus sorgt für eine stabile und erwünschte Leistungsabgabe, verringerten fossilen Brennstoffverbrauch, reduzierte CO₂-Emission und führt zu einem höheren Gesamtwirkungsgrad der Stromerzeugungsanlage.
Indem nun auf die Figuren Bezug genommen wird, ist in 1 eine bevorzugte Ausführungsform eines Solarthermie/Kombinationszyklus-(CSCC)-Hybridkraftwerksystems gemäß der Offenbarung zur Erzeugung mechanischer und/oder elektrischer Leistung dargestellt. Insbesondere ist ein, insgesamt mit 10 bezeichnetes, Solarthermie/Kombinationszyklus-Hybridsystem dargestellt, das aus einem Solarfeld 13 und einem Dampfgenerator 15 von einer CSP-Anlage 12 und einer Kombinationszyklus-Gasturbinenstromerzeugungsanlage 14 besteht. Die kritische Technologie, die die zwei Energieerzeugungssysteme 12 und 14 miteinander verbindet, ist ein Solarreformer 16, in welchem Solarenergie und ein Kohlenwasserstofffluid sowohl in thermische als auch chemische Energie umgewandelt werden, um einen Reformatbrennstoff mittels einer Reformierungsreaktion zu erzeugen.
Der Solarreformer 16 ermöglicht, dass Solarenergie eine hocheffiziente Kombinationszyklus-Gasturbinenstromerzeugungsanlage und insbesondere eine Brennkammer 28 und mehrere Gasturbinen 19 der Kombinationszyklus-Gasturbinenstromerzeugungsanlage 14 durchläuft, was zu einer hocheffizienten Umwandlung von Solarenergie im Strom führt. Die Kombinationszyklus-Gasturbinenstromerzeugungsanlage 14 kann leicht zwischen zwei Brennstoffen, entweder dem Reformatbrennstoff oder dem Kohlenwasserstofffluid, oder einem Gemisch des Reformatbrennstoffs und des Kohlenwasserstofffluids in Abhängigkeit von der Verfügbarkeit von Sonnenlicht eingestellt werden. Das Nettoergebnis dieses Zwei-Brennstoffsystems ist eine hohe Nutzungsrate der Energieinsel und eine stabile Leistungsabgabe an einen Abgaskamin 20, was die Notwendigkeit jeder Reservekapazität erübrigt. Es dürfte sich verstehen, dass, obwohl hierin die Verwendung einer Kohlenwasserstofffluids und insbesondere in einer bevorzugten Ausführungsform von Erdgas offenbart ist, alternative Kohlenwasserstofffluide, wie z.B. Methan, Biogas oder andere geeignete Materialien, wie z.B. Flüssigpetroleumgas (LPG) usw. durch diese Offenbarung vorweggenommen sind.
Während eines typischen Tageslicht-Betriebs des vorgeschlagenen CSCC-Hybridsystems 10 wird ein Kohlenwasserstofffluid 22, wie z.B. Erdgas, in den Solarreformer 16 geführt, in welchem die von der CSP-Anlage 12 gelieferte Solarwärmeenergie 24 durch ein (vorliegend beschriebenes) Spiegelsystem konzentriert wird. Die konzentrierte Solarwärmeenergie 24 erzeugt eine hohe Temperatur von über 500°C in dem Solarreformer 16 und wird dazu genutzt, eine nachstehend dargestellte Methanreformierungsreaktion in dem Solarreformer 16 zu betreiben: CH₄ + H₂O + (Solarwärme) → CO + 3H₂
Wenn eine höhere Erdgas-(NG)-Umwandlung erforderlich ist oder der Wasserverbrauch eine Haupteinschränkung ist, kann ein auf Teiloxidation basierendes Solarreformationskonzept genutzt werden. In dieser Ausgestaltung erzeugt die konzentrierte Solarwärmeenergie 24 eine hohe Temperatur von über 500°C in dem Solarreformer 16, in welchem eine kleine Menge von Luft oder sauerstoffhaltigem Gas verwendet wird, um einen Teil des Kohlenwasserstoffbrennstoffs und insbesondere des Erdgasbrennstoffs partiell zu oxidieren. Es wird angenommen, dass nur eine kleine Menge von Sauerstoff angesichts der Solarenergiezuführung erforderlich ist, die den Bedarf an Sauerstoff in Reaktion auf die Verfügbarkeit reduziert. Die exotherme Wärme aus der partiellen Oxidationsreaktion trägt zum Anheben der Temperatur des Reformierungsgases auf über 800°C bei, wo eine hohe Umsetzung von Erdgas erreicht werden kann. Das Vorhandensein von Sauerstoff kann auch effektiv die Bildung von (vorliegend beschriebenem) Koks verhindern, was erheblich die Notwendigkeit für sehr hohe Wassermengen in der Reformierungsreaktion reduziert. In dieser Ausgestaltung wird die Solarwärmeenergie 24 zum Betreiben einer nachstehend dargestellten Methanreformierungsreaktion in dem Solarreformer 16 verwendet: 4CH₄ + O₂ + 2H₂O → 10H₂ + 4CO
Die endotherme Reaktion in dem Reformer 16 absorbiert die Solarwärmeenergie 24 und wandelt sie in chemische Energie in Produktgasen, welche einen Reformatbrennstoff 26 bilden, um. Der Reformatbrennstoff 26 wird dann in der Brennkammer 28 der Kombinationszyklus-Gasturbinenstromerzeugungsanlage 14 verbrannt, wobei die chemische Energie in dem ursprünglichen zugeführten Kohlenwasserstofffluid 22 zuzüglich der während der Reformierungsreaktion absorbierten Solarwärmeenergie 24 freigesetzt wird. In dem Solarthermie/Kombinationszyklus-Hybridkraftwerk 10 erzeugt die Kombinationszyklus-Gasturbinenstromerzeugungsanlage 14 Strom aus Abgasen 32 und insbesondere der durch die Verbrennung des Reformatbrennstoffs und der Luft in der Brennkammer 28 erzeugten Wärme. Die Abgase 32 aus dem Kombinationszykluskraftwerk 14, üblicherweise auf einer Temperatur über 538°C (1000°F) werden anschließend an einen Wärmerückgewinnungsdampfgenerator (HRSG) 34 geleitet, in welchem die thermische Energie in dem Abgas 32 ferner zum Erzeugen von überhitztem Dampf und zum Erzeugen von Strom in einem Dampfzyklus zurückgewonnen wird. Insbesondere wird die Wärme aus den Abgasen 32 wieder verwendet, um zusätzlichen Strom als Folge der Erzeugung von Dampf zu erzeugen, der in mehrere Dampfturbinen 36 eingeleitet wird.
In einer weiteren Ausführungsform können Abgase 32 aus der Kombinationszyklus-Gasturbinenstromerzeugungsanlage 14, die CO₂ und O₂ enthalten, in die Reformierungskammer des Solarreformers 16 und/oder die Brennkammer 28 zurückgeführt werden. In dem Reformer 16 können die zurückgeführten Abgase 32 für einen Reformierungsprozess genutzt werden, bei dem NG mit O₂ in einer exothermen Reaktion reagiert und CO₂ mit NG über eine endotherme Reaktion reagiert, wie nachstehend dargestellt: CH₄ + CO₂ + (Solarwärme) → 2CO + 2H₂
Das Ausmaß dieser Reaktionen wird durch die relative Konzentration von O₂ und CO₂ bestimmt. Die Erzeugung von CO über die vorstehende Reaktion trägt zur Verbesserung der Durchführbarkeit und des Wirkungsgrades des Prozesses bei. In der Brennkammer 28 wirken die zurückgeführten Abgase 32 als ein Verdünnungsmittel, das NO_x verringern und die Konzentration von CO₂ in dem Abgas 32 erhöhen kann.
In noch einer weiteren Ausführungsform kann ein CO₂-Strom aus den Turbinenabgasen 32 abgetrennt und in den Reformer 16 zurückgeführt werden. Diese Konfiguration trägt zum Erzielen einer zusätzlichen Dampfreduzierung durch Förderung einer Reaktion gemäß nachstehender Darstellung bei: CH₄ + CO₂ + (Solarwärme) → 2CO + 2H₂
Die Nutzung von Lufteinspritzung, Turbinenabgasrückführung, CO₂-Rückführung oder die Kombination dieser drei kann helfen, den Reformerdampfverbrauch zu reduzieren, Koksausbildung zu verhindern, die Solarenergienutzungsrate zu verbessern, das Gasturbinenemissionsverhalten zu verbessern, und möglicherweise zu einer erhöhten Konzentration von CO₂ in den Turbinenabgasen 32 führen, was somit eine Nachverbrennungs-Kohlenstoffbindung leichter durchführbar macht.
Abhängig von der Intensität des Sonnenlichtes im Verlauf des Tages können die Anlagenbetreiber die Menge des Kohlenwasserstofffluids 22 (Erdgas), die in den Solarreformer 16 strömt, mittels eines Steuerventils 30 oder dergleichen von einem vollständigen Umgehungsmodus bis zu einem vollständigen Reformierungsmodus einstellen, um den Kohlenwasserstofffluidfluss 22 zu der Brennkammer 28 der Kombinationszyklus-Gasturbinenstromerzeugungsanlage 14 zu steuern, um dadurch die Kraftwerksleistungsabgabe und den Wirkungsgrad zu maximieren, während gleichzeitig Stromnetzverpflichtungen erfüllt werden. Mit der Unterstützung des Solarreformers 16 kann die CSCC-Anlage die Nutzung von Kohlenwasserstofffluid und insbesondere den Erdgasverbrauch während eines Tageslichtbetriebs minimieren, während gleichzeitig die Anlagenleistungsabgabe bei ihrer vollen Kapazität gehalten wird. Diese Erdgasverbrauchseinsparung stellt eine erhebliche Reduzierung des Fossilbrennstoffverbrauchs des Netzes und von CO₂-Emissionen dar.
Es sei angemerkt, dass die hierin beschriebene CSCC-Anlage Standardstromerzeugungsanlageneinrichtungen, wie z.B. Speisewassererhitzer, Dampfgeneratorvorrichtungen, einen Dampfgenerator, Pumpen und dergleichen enthalten kann. Wie vorstehend beschrieben, ist das System unter Verwendung des Reformatbrennstoffs oder des Kohlenwasserstoffbrennstoffs, wie z.B. Erdgasbrennstoffs, betreibbar.
2 zeigt ein Flussdiagramm, das ein Verfahren 40 zum Betreiben des Solarthermie/Kombinationszyklus-Hybridkraftwerkes von 1 veranschaulicht. Wie vorstehend beschrieben, wird deshalb, weil die Kombinationszyklus-Gasturbinenstromerzeugungsanlage zwischen einem ankommenden Kohlenwasserstofffluid und einem Reformatbrennstoff 16 betrieben werden kann, eine anfängliche Ermittlung 41 durchgeführt, ob genügend Solarenergie zum Reformieren einer Strömung eines Kohlenwasserstofffluids in den Solarreformer zur Verfügung steht. Anschließend an die Ermittlung 41 wird der Kohlenwasserstofffluidfluss zwischen einer Brennkammer der Kombinationszyklus-Gasturbinenstromerzeugungsanlage und dem Solarreformers eingestellt, 42. Wenn ausreichend Solarenergie vorhanden ist, wird der Fluidfluss zu dem Solarreformer geleitet, und die Reformierung des Kohlenwasserstofffluids findet darin zur Erzeugung von Reformatbrennstoff statt, 43. Wenn nicht genügend Solarenergie zur Verfügung steht, wird der Fluidfluss der Brennkammer der Kombinationszyklus-Gasturbinenstromerzeugungsanlage geleitet. Der Reformatbrennstoff oder das Kohlenwasserstofffluid wird anschließend der Brennkammer der Kombinationszyklus-Gasturbinenstromerzeugungsanlage zugeführt, um Elektrizität und Verbrennungsabgase zu erzeugen, 44. Zum Schluss werden die Verbrennungsabgase einem Dampfgenerator zum Erzeugen zusätzlicher Elektrizität zugeführt, 45.
In den 3 und 4, auf die nun Bezug genommen wird, sind alternative Solarreformerkonzepte zur Verwendung in dem Solarthermie/Kombinationszyklus-Hybridkraftwerk von 1 dargestellt. Die offenbarten Solarreformerkonstruktionen bieten eine verbesserte Energie- und Massenübertragung, was zu einem höheren solaren Nutzungswirkungsgrad und geringeren Dampfanforderungen führt. In Bereichen, in welchen Wasser eine knappe Ressource ist oder eine Hochtemperaturreformierung (d.h., bei 800°C) gewünscht ist, ermöglicht der vorgeschlagene Solarreformer auch ein partielles Oxidationskonzept, in welchem eine kleine Luftmenge in den Reaktor eingeführt werden kann, um Koksbildung zu verhindern und um exotherme Wärme zum Steigern der Reformierungs-Reaktionskinetik zu liefern. Die kombinierte Nutzung von Solarenergie und partieller Oxidationsreaktion erzeugt insgesamt eine neue Kategorie eines Erdgasreformierungsprozesses, der sich fundamental von bekannten Prozessen, wie z.B. katalytisch-partieller Oxidation (CPO), autothermer Reformation (ATR) und Dampf/Methan-Reformation (SMR), unterscheidet.
Insbesondere Bezugnehmend auf 3 eine isometrische Ansicht eines Solarreformerkonzeptes zur Verwendung in einem zu dem Solarthermie/Kombinationszyklus-Hybridkraftwerk 10 von 1 im Wesentlichen ähnlichen Solarthermie/Kombinationszyklus-Hybridkraftwerk dargestellt. Insbesondere ist in 3 ein Direktheizungs-Solarreformer 50 gemäß einer Ausführungsform dargestellt. Der Direktheizungs-Solarreformer 50 weist einen reformierenden Katalysatorblock 52, eingeschlossen in einer Reformerkammer 54 mit einem Quarzfenster 56 auf, das als ein Teil davon ausgebildet ist. Außerhalb des Quarzfensters 56 ist eine konusförmige Öffnung 58 mit einer auf ihrer Oberfläche 61 ausgebildeten optionalen reflektierenden Beschichtung 60, um Solarstrahlung 62 zu einem Innenraum der Reformierungskammer 54 über das Quarzfenster 56 zu leiten, enthalten. Auf einem im Wesentlichen gegenüberliegenden Abschnitt der Reformierungskammer 54 befindet sich eine koaxiale Rohr-in-Rohr-Leitung 64 mit einem Innendurchfluss für einen ankommenden Reaktantenstrom 63 ähnlich dem Kohlenwasserstofffluid 22 von 1. In dieser speziellen Ausführungsform umfasst der ankommende Reaktantenstrom 63 Erdgas und Dampf. Der ankommende Reaktantenstrom 63 strömt über ein Außenrohr 68 der koaxialen Rohr-in-Rohr-Leitung 64 stromabwärts in den Reformer 50 und insbesondere in die Reformerkammer 54. Das im Wesentlichen dem Reformatbrennstoff 26 von 1 ähnliche Reformerprodukt 70 oder der heiße Reformatbrennstoff 71 strömt über ein Innenrohr 72 der koaxialen Rohr-in-Rohr-Leitung 64 aus dem Reformer 50 und insbesondere der Reformerkammer 54 heraus. Dieser gerichtete Fluss des Reformerproduktes 70 sorgt gleichzeitig mit seinem Ausfluss aus dem Reformer 50 für eine Vorheizung der ankommenden kalten Reaktanten und insbesondere des ankommenden Reaktantenstroms 63.
Während des Betriebs des Reformers 50 tritt der vorgeheizte ankommende Reaktantenstrom 63 in den Reformer 50 ein und wird in einem oberen Abschnitt 74 der Reaktorkammer 54 verteilt. Der ankommende Reaktantenstrom 63 passiert anschließend den reformierenden Katalysatorblock 52 und durchläuft eine Methanreformierungsreaktion, während er zu einem unteren Abschnitt 76 der Reaktorkammer 54 strömt. Konzentrierte Solarstrahlung 62 passiert das Quarzfenster 56 und heizt eine Bodenoberfläche 78 des Reformierungskatalysatorblockes 52 auf über 500 bis 800°C auf. An diesem Punkt erfolgt die Reformierungskinetik sehr schnell und die Methanumwandlung erreicht schnell ihr Gleichgewicht. Es wird angenommen, dass sich bei 690°C angenähert 20 bis 30 % des Methans in CO und H₂ umwandeln. Der Reformatbrennstoff 71 tritt dann in mehrere Rücklaufrohre 80 ein, die mehreren Öffnungen 82 aufweisen, die an der Bodenfläche 78 des reformierenden Katalysatorblockes 52 positioniert sind. Während der Reformatbrennstoff 71 in den mehreren Rücklaufrohren 80 aufwärts strömt, wird das darin enthaltene heiße Gas durch den ankommenden Reaktantenstrom 63, der abwärts in dem umgebenden reformierenden Katalysatorblock 52 strömt, gekühlt, um somit einen weiteren Grad an Wärmerückgewinnung und verbesserten Wirkungsgrad zu erreichen.
Herkömmliche solarthermische Reformer können nur eine Temperatur von ca. 550°C erreichen, was 200 bis 300°C niedriger als die ideale Methanreformierungstemperatur ist. Die Zusetzung von Sauerstoff den Solarreformer 50 trägt dazu bei, die Reaktionstemperaturen für eine hohe Umwandlung von Methan anzuheben. In einem typischen Dampf/Methan-Reformierungs(SMR)-Prozess wird der Prozess bei Temperaturen in einem Bereich von angenähert 700 bis 1000°C und bei Vorhandensein von Metall-basierenden (wie z.B. Nickel-) Katalysatoren ausgeführt. Der Reformer wird üblicherweise indirekt in einem Erdgasofen erhitzt. Der Wirkungsgrad dieser Art eines SMR-Prozesses beträgt typischerweise 65 bis 75 %.
Unter erneuter Bezugnahme auf 1 beträgt in der bevorzugten Ausführungsform des vorgeschlagenen Hybrid-CSCC-Systems 10 die CSP-Temperatur angenähert 500 bis 650°C, wobei die Umwandlung von Methan in dem Solarreformer 16 angenähert 20 bis 50 % beträgt. Dieses ist eine akzeptable Umwandlung. Im Gegensatz zu Wasserstoffanlagen, bei denen das Ziel in der Maximierung der Wasserstoffausbeute liegt, besteht das Ziel des Solarreformers 16 darin Solarenergie in den Reformatbrennstoff 26 zu packen. Wie vorstehend festgestellt, kann in dem Falle, in welchem eine höhere Erdgasumwandlung erforderlich ist oder der Wasserverbrauch eine größere Beschränkung darstellt, eine partielle Oxidation in dem (vorliegend beschriebenen) Solarreformer 16 genutzt werden.
Mehrere Einspritzöffnungen 84 können optional in der Reformerkammer 54 ausgebildet sein, um einen Einlass für ein sauerstoffhaltiges Gas bereitzustellen. Das Vorhandensein von Sauerstoff in dem Reformer 50 und insbesondere in der Reformerkammer 54 hat bekanntermaßen einen Verhinderungseffekt auf die Koksbildung, was zu vielen Vorteilen führt. Ein Vorteil der Einspritzung eines kleinen Prozentsatzes von Sauerstoff (< 5 %) in den Solarreformer 50 ist die Verhinderung einer Koksablagerung auf dem Quarzfenster 56, die andernfalls die Solarstrahlung 62 blockieren würde. Sauerstoff verhindert bekanntermaßen die Koksbildung und würde die Notwendigkeit von Dampf in dem Solarreformer 50 erübrigen oder minimieren. In einem typischen Dampf/Methan-Reformer (SMR) ist ein Dampf/Kohlenstoff-Verhältnis von über 2,5 erforderlich. Mit der Einspritzung von Sauerstoff in den Solarreformer 50 ist ein Dampf/Kohlenstoff-Verhältnis von weniger als 1 erforderlich. Die Verringerung des Dampfbedarfs in dem Solarreformer 50 führt zu einer signifikanten Reduzierung des Wasserverbrauchs, was den Prozess für Gebiete geeignet macht, in welchen Wasserressourcen knapp sind. Zusätzlich trägt die exotherme Wärme der partiellen Oxidationsreaktion zur Anhebung der Reformierungsreaktionskinetik durch Erhöhen der Temperatur der Reaktorkammer 50 bei.
Indem nun auf 4 Bezug genommen wird, ist eine isometrische Ansicht einer weiteren Solarreformerkonstruktion zur Verwendung in einem im Wesentlichen dem Solarthermie/Kombinationszyklus-Hybridkraftwerk 10 von 1 ähnlichen Solarthermie/Kombinationszyklus-Hybridkraftwerk dargestellt. Insbesondere ist in 4 ein indirekt heizender Solarreformer 100 gemäß einer Ausführungsform dargestellt. Der indirekte heizende Solarreformer 100 weist eine Reformerkammer 104 mit einem als Teil davon ausgebildeten Quarzfenster 106 auf. Außerhalb des Quarzfensters 106 ist eine konusförmige Öffnung 108 mit einer auf ihrer Oberfläche 111 optionalen reflektierten Beschichtung 110 zur Führung der Solarstrahlung 112 zu einem Innenbereich der Reformerkammer 104 über das Quarzfenster 106 enthalten. Auf einem im Wesentlichen gegenüberliegenden Abschnitt der Reformerkammer 104 befindet sich eine koaxiale Rohr-in-Rohr-Leitung 114 mit einem Innendurchfluss für einen ankommenden Reaktantenstrom 116, wie z.B. das Kohlenwasserstofffluid 22 von 1. In dieser speziellen Ausführungsform sind die ankommenden Reaktanten Erdgas und Dampf. Der ankommende Reaktantenstrom 116 oder das Kohlenwasserstofffluid 22 strömt abwärts in den Reformer 50 und insbesondere über ein Außenrohr 118 der koaxialen Rohr-in-Rohr-Leitung 114 in die Reformerkammer 104. Das Reformerprodukt 120 oder das heiße Reformatbrennstoffprodukt 122 strömt über ein Innenrohr 124 der koaxialen Rohr-in-Rohr-Leitung 114 aus dem Reformer 100 und insbesondere der Reformerkammer 104 heraus. Ähnlich wie bei dem Reformer 50 von 3 sorgt dieser gerichtete Fluss des Reformerproduktes 120 gleichzeitig mit seinem Ausfluss aus dem Reformer 50 für eine Vorheizung der ankommenden kalten Reaktanten und insbesondere des ankommenden Reaktantenstroms 116. Wie vorstehend detailliert dargestellt, kann die Einspritzung einer kleinen Menge von Luft über mehrere (nicht dargestellte) Luftöffnungen für eine verbesserte Reformerleistung mit enthalten sein.
Die gesamte Konstruktion des indirekt heizenden Solarreformers 100 ähnelt dem in 3 dargestellten direkt heizenden Solarreformer mit der Ausnahme, dass der ankommende Reaktantenstrom 116 in dem Indirektheizungskonzept nicht mit dem Quarzfenster 106 des Reformers in Kontakt kommt. Im Gegensatz zu dem direkt heizenden Solarreformer 50 von 3 wird in dem indirekt heizenden Solarreformer 100 die Wärme der Solarstrahlung 112 zuerst durch mehrere SMR-Reaktionsrohre 126 absorbiert und in das Innere der Reaktionsrohre 126 über Wärmeleitung übertragen, um die Erdgasreformierungsreaktion zu unterstützen. Ein Reformierungskatalysator 128 ist innerhalb jeder der mehreren Reaktionsrohre 126 angeordnet. Dieses Konzept beseitigt Blockierungsprobleme des Quarzfensters 106. Aufgrund der Wärmeleitungsübertragung wäre die SMR-Reaktionstemperatur innerhalb der Reaktionsrohre 126 mit angenähert 400 bis 500°C erheblich niedriger als in dem vorstehend beschriebenen direkt heizenden Verfahren (600 bis 800°C). Ähnlich zu der Sauerstoff- oder Lufteinspritzung in dem vorstehenden direkt heizenden Konzept von 3 kann ein geringer Grad an Sauerstoffeinspritzung in die indirekt heizende Kammer 100 mit einbezogen werden, um das Reformerleistungsverhalten zu steigern und einen geeigneten Grad an Solarenergieabsorption mittels einer Reformierungsreaktion aufrechtzuerhalten.
Während des Betriebs des Reformers 100 tritt der vorgeheizte ankommende Reaktantenstrom 116 in den Reformer 100 über die mehreren Reaktionsrohre 126 ein. Der ankommende Reaktantenstrom 116 strömt in jedem der mehreren Reaktionsrohre 126 und passiert den reformierenden Katalysator 128 und durchläuft eine Methanreformierungsreaktion während seiner Strömung zu einem unteren Abschnitt 130 der Reformerkammer 104. Konzentrierte Solarstrahlung 112 passiert das Quarzfenster 156 und heizt die mehreren Reaktionsrohre 126 über Wärmeleitung auf, um die Reformierungsreaktion zu unterstützen. Das Reformatbrennstoffgemisch 122 strömt in den mehreren Reaktionsrohren 128 aufwärts, und das darin enthaltene heiße Gas wird durch den ankommenden Reaktantenstrom 116 gekühlt, der in den umgebenden Reaktionsrohren 126 abwärts strömt, womit ein weiterer Grad an Wärmerückgewinnung und verbesserter Wirkungsgrad erreicht werden.
Es sei angemerkt, dass der direkt heizende Reformerprozess und der indirekt heizende Reformerprozess sich von dem herkömmlichen katalytisch-partiellen Oxidationsprozess unterscheiden, welcher auf einem großen Anteil von Sauerstoff (O/C > 1) beruht und zu einem deutlich verringerten Energiewirkungsgrad führt. Unter Berücksichtigung einer eingeschränkten Wasserzufuhr in typischen sonnenreichen Gebieten werden SMR-Katalysatoren ausgewählt, die einen Betrieb bei niedrigem Dampf/Kohlenstoff-Verhältnis (S/C ca. 0,5) tolerieren, für den Katalysator 52 und 128 ausgewählt.
Das hierin beschriebene Solarreformerkonzept bietet zusätzlich einen neuen Katalysatorregenerationsprozess, der auch als eine Vorheizprozedur während des Startvorgangs des Reformers 50, 100 dient. In einigen Bereichen des Solarreformers 50, 100, die nicht durch eine Sauerstoffdotierung erreicht werden können, kann sich Koks auf einer Oberfläche des reformierenden Katalysators 52, 128 ausbilden. Eine Lufteinspritzung vor dem Start des Reformers 50, 100 kann dazu genutzt werden, den Koks zu verbrennen, und die während des Koksabbrands freigesetzte Energie kann zum anfänglichen Erwärmen des Reformers 50, 100 genutzt werden. Eine Lufteinspritzung kann durch die Einspritzung von Luft in einer Umkehrrichtung vor der Einführung des Reaktantenbrennstoffstroms 63, 116 in den Reformer 50, 100 erzielt werden. Eine derartige Vorheizung kann die Vorheizanforderungen für den Reaktantenbrennstoffstrom 63, 116 für das Anspringen verringern. Sobald die katalytisch-partielle Oxidations-(CPO)-Reaktion initiiert ist, liefert sie die erforderliche Wärme zum Vorheizen des Reaktantenbrennstoffstroms 63, 116 durch Strahlung. Eine derartige Technik verringert die für den Reformer 50, 100 erforderliche Startzeit deutlich und ist aufgrund der eingeschränkten Verfügbarkeit der Sonne erwünscht. In einer weiteren Ausführungsform kann ein (nicht dargestellter) kleiner elektrischer Heizer an einem Einlass des Katalysators 52, 128 eingefügt sein, um die Temperatur des Reaktantenbrennstoffstroms 63, 116 vor dem Anspringen zu erhöhen.
Indem nun auf 5 Bezug genommen wird, ist eine graphische Ansicht des solarbetriebenen Anteils 150 und des durch Kohlenwasserstofffluid betriebenen Anteils 152 einer Gesamtlast in Bezug auf die Tageszeit 154 an einem Stromerzeugungssystem, wie z.B. des Systems 10, während eines typischen Tages dargestellt. Wenn die Sonnenlichtstunden, wie durch die Tageszeit 154 dargestellt, zunehmen, nimmt der Solarstromanteil 150 als ein Prozentsatz der Gesamtstromlast zu, und der durch Kohlenwasserstofffluid erzeugte Anteil 152 nimmt als ein Prozentsatz der gesamten Stromlast ab. Demzufolge kann unter sonnenreichen Bedingungen die Solarreformierung dazu genutzt werden, um den gesamten Kohlenwasserstoffverbrauch zu reduzieren, was ein effizienteres System bereitstellt.
Indem nun auf 6 Bezug genommen wird, ist eine graphische Ansicht einer Schätzung des Wirkungsgrades des Solarthermie/Kombinationszyklus-Hybridsystems 10 von 1, soweit er die gesamte Leistungseffizienz betrifft, dargestellt. Insbesondere ist ein Solarleistungswirkungsgrad 160 dargestellt, soweit er den Gesamtsystemwirkungsgrad 162 betrifft. Wie dargestellt ist, wird, sobald der Prozentsatz des Kohlenwasserstoffbrennstoffs zu dem Solarreformer hin und die Nutzung des Solarreformers erhöht wird, der Solarleistungswirkungsgrad 160 erhöht. Ebenso wird, sobald die Nutzung des Solarreformers weiter zunimmt, der Solarleistungswirkungsgrad 160 beibehalten, während der Gesamtsystemwirkungsgrad 162 zunimmt.
Systemmodellberechnungen begründen einen Anspruch auf einen hohen Solar/Leistungs/-Wirkungsgrad, wobei bis zu 30 bis 36 % Solar/Elektrizitäts-Wirkungsgrad erreicht werden. Als eine Folge der Unterstützung durch Solarenergie erreicht das Kombinationszyklussystem einen gesamten Fossilbrennstoff/HHV-Wirkungsgradgewinn von bis zu 4 % (von 50 auf 54 %).
Indem Solarenergie in einen Kohlenwasserstoffbrennstoff über Solarreformierungsreaktionen gepackt und dieser durch eine Kombinationszyklusgasturbine (CCGT) der Kombinationszyklusgasturbinenanlage durchgeleitet wird, sind Erträge der Solar/Elektrizitäts-Wirkungsgrade von über 30 % erzielbar. Die Hybridisierung von konzentrierter Solarthermie und CCGT ist eine effiziente Möglichkeit, eine große Menge von Solarenergie in ein Energieerzeugungssystem einzuführen, ohne die Netzstabilität zu gefährden. Es wird erwartet, dass diese Technologie die rasche Einführung höherer Standards für erneuerbare Energien und die Beschneidung des Fossilbrennstoffverbrauchs und CO₂-Emmision von Kraftwerken unterstützen wird.
Obwohl nur bestimmte Merkmale der Erfindung hierin dargestellt und beschrieben wurden, werden viele Modifikationen und Änderungen für den Fachmann ersichtlich sein. Es dürfte sich daher verstehen, dass die beigefügten Ansprüche alle derartigen Modifikationen und Änderungen, soweit sie in den tatsächlichen Erfindungsgedanken der Erfindung fallen, abdecken sollen.
Es werden ein Solarthermie/Kombinationszyklus-(CSCC)-Hybridkraftwerk auf der Basis von Solarreformierungstechnologie, ein Verfahren zur Erzeugung von Elektrizität unter Nutzung des Systems und ein Solarreformer zur Nutzung in dem System bereitgestellt. Das System ermöglicht die Integration einer Solarthermieanlage (CSP) und einer Kombinationszyklus-Gasturbinen-(CCGT)-Stromerzeugungsanlage, was zu einem Hybridsystem führt, das bekannte Probleme in Bezug auf eine Solarthermie-Stromerzeugung in großem Maßstab korrigiert. Der Solarreformer sorgt für die Speicherung von Solarenergie in einem Reformatbrennstoff während der Reformierungsreaktion und eine anschließende Freisetzung durch eine Gasturbinenverbrennungsreaktion. Von den in die Gasturbinenstromerzeugungsanlage geleiteten Brennstoffen kann zwischen einem Kohlenwasserstofffluid und dem Reformatbrennstoff abhängig von verfügbarer solarthermischer Energie gewechselt werden.
Bezugszeichenliste

10: Solarthermie/Kombinationszyklus-Hybridsystem
12: CSP-Anlage
13: Solarfeld
14: Kombinationszyklus-Gasturbinenstromerzeugungsanlage
15: Dampfgenerator
16: Solarreformer
19: mehrere Gasturbinen
22: Kohlenwasserstofffluid
24: solarthermische Energie
26: Reformatbrennstoff
28: Brennkammer
30: Steuerventil
32: Abgase (aus 14)
34: Wärmerückgewinnungsdampfgenerator (HRSG)
36: mehrere Dampfturbinen
40: Verfahren
41–45: Verfahrensschritte
50: direkt heizender Solarreformer
52: reformierender Katalysatorblock
54: Reformerkammer
56: Quarzfenster
58: konusförmige Öffnung
60: optionale reflektierende Beschichtung
61: Oberfläche von 58
62: Solarstrahlung
63: ankommender Reaktantenstrom
64: koaxiale Rohr-in-Rohr-Leitung
68: Außenrohr
70: Reformerprodukt
71: Reformatbrennstoff
72: Innenrohr
74: oberer Abschnitt
76: unterer Abschnitt
78: Unterseite von 52
80: Rücklaufrohre
82: Öffnungen in 80
84: Lufteinspritzöffnungen
100: indirekt heizender Solarreformer
104: Reformerkammer
106: Quarzfenster
108: konusförmige Öffnung
110: reflektierende Öffnung
111: Oberfläche
112: Solarstrahlung
114: koaxiale Rohr-in-Rohr-Leitung
116: ankommender Reaktantenstrom
118: Außenrohr
120: Reformerprodukt
122: Reformatbrennstoff
124: Innenrohr
126: SMR-Reaktionsrohre
128: reformierender Katalysator
130: unterer Abschnitt

Claims

Stromerzeugungssystem (10), aufweisend: eine Solarthermie(CSP)anlage (12) mit einem Solarfeld (13) und einem Dampfgenerator (15); einen Solarreformer (16, 50, 100), der eingerichtet ist, um Solarenergie (24, 62, 112) aus dem Solarfeld (13) und ein Kohlenwasserstofffluid (22) als einen ankommenden Reaktantenstrom (63, 116) aufzunehmen, wobei der Solarreformer (16, 50, 100) die Solarenergie (24, 62, 112) und den ankommenden Reaktantenstrom (63, 116) in thermische Energie und chemische Energie mittels eines Reformierungsprozesses zum Erzeugen eines Reformatbrennstoffes (26, 71, 172) umwandelt; eine Kombinationszyklus-Gasturbinen-(CCGT-)Stromerzeugungsanlage (14) zum Erzeugen von Elektrizität, wobei die Kombinationszyklus-Gasturbinenstromerzeugungsanlage (14) eingerichtet ist, um ein Kohlenwasserstofffluid (22) und den Reformatbrennstoff (26, 71, 122) von dem Solarreformer (16, 50, 100) aufzunehmen und ein Verbrennungsabgas (32) auszugeben, wobei die Kombinationszyklus-Gasturbinenstromerzeugungsanlage (14) derart eingerichtet ist, dass sie auf der Basis von wenigstens entweder dem Kohlenwasserstofffluid (22) und/oder dem Reformatbrennstoff (26, 71, 122) in Reaktion auf die Verfügbarkeit von Solarenergie (24, 26, 112) für den Solarreformer (16, 50, 100) betrieben werden kann; und wobei der Dampfgenerator (15) eingerichtet ist, um das von der Kombinationszyklus-Gasturbinenstromerzeugungsanlage (14) ausgegebene heiße Abgas (32) aufzunehmen, um Elektrizität zu erzeugen.
System nach Anspruch 1, wobei der Solarreformer (16, 50, 100) aufweist: eine konusförmige Öffnung (50, 108), die eingerichtet ist, um die empfangene Solarenergie (24, 62, 112) durch ein Quarzfenster (56, 106) hindurch und in eine Reformierungskammer (54, 104) hinein zu konzentrieren; einen reformierenden Katalysator (52, 128), der in der Reformierungskammer (54, 104) angeordnet ist; und eine koaxiale Rohr-in-Rohr-Leitung (54, 114), die in Fluidverbindung mit der Reaktionskammer (54, 104) steht und eingerichtet ist, um einen Einlass für den ankommenden Reaktantenstrom (63, 116) und einen Auslass für den Reformatbrennstoff (26, 71, 122) bereitzustellen.
System nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Kombinationszyklus-Gasturbinenstromerzeugungsanlage (14) eine Kombinationszyklusgasturbine (18), eine Brennkammer (28) und mehrere Gasturbinen (36) aufweist, wobei die Brennkammer (28) eingerichtet ist, um das Kohlenwasserstofffluid (22) bei fehlender Solarenergie (24, 62, 112) und den Reformatbrennstoff (26, 71, 122) bei vorhandener Solarenergie (24, 62, 112) zur Verbrennung darin aufzunehmen, um das Verbrennungsabgas (32) zu erzeugen.
System nach einem beliebigen der vorhergehenden Ansprüche, das ferner ein Steuerventil (30) enthält, um die Menge des in den Solarreformer (16, 50, 100) geleiteten Kohlenwasserstofffluids (22) als den ankommenden Reaktantenstrom (63, 116) von einem vollständigen Umgehungsmodus bis zu einem vollständigen Reformierungsmodus zu steuern.
Verfahren zum Erzeugen elektrischen Stroms, mit den Schritten: Steuern (42) eines Flusses eines Kohlenwasserstofffluids (22) zwischen einer Brennkammer (28) einer Kombinationszyklus-Gasturbinenstromerzeugungsanlage (14) und einem Solarreformer (16, 50, 100), wobei der Solarreformer (16, 50, 100) eingerichtet ist, um Solarenergie (24, 62, 112) von einem Solarfeld (13) und das Kohlenwasserstofffluid (22) aufzunehmen; Reformieren (43) des Kohlenwasserstofffluids (22) in dem Solarreformer (16, 50, 100) durch Umwandeln der Solarenergie (24, 62, 112) und des Kohlenwasserstofffluids (22) in thermische Energie und chemische Energie mittels eines Reformierungsprozesses zum Erzeugen eines Reformatbrennstoffes (26, 71, 122); Zuführen (44) des Reformatbrennstoffes (26, 71, 122) zu einer Kombinationszyklus-Gasturbinenstromerzeugungsanlage (14) zum Erzeugen von Elektrizität, wobei die Kombinationszyklus-Gasturbinenstromerzeugungsanlage (14) eingerichtet ist, um wenigstens entweder das Kohlenwasserstofffluid (22) und/oder den Reformatbrennstoff (26, 71, 122) aus dem Solarreformer (16, 50, 100) aufzunehmen und heißes Abgas (32) auszugeben; Zuführen (45) des heißen Abgases (32) zu einem Dampfgenerator (15), der eingerichtet ist, um das von der Kombinationszyklus-Gasturbinenstromerzeugungsanlage (14) ausgegebene heiße Abgas (32) aufzunehmen und Elektrizität zu erzeugen, wobei die Kombinationszyklus-Gasturbinenstromerzeugungsanlage (14) derart eingerichtet ist, dass sie auf der Basis von wenigstens entweder dem Kohlenwasserstofffluid (22) und/oder dem Reformatbrennstoff (26, 71, 122) in Reaktion auf die Verfügbarkeit von Solarenergie (24, 62, 112) für den Solarreformer (16, 50, 100) betrieben werden kann.
Verfahren nach Anspruch 5, wobei der Schritt der Steuerung (42) eines Flusses eines Kohlenwasserstofffluids (22) zwischen der Brennkammer (28) der Kombinationszyklus-Gasturbinenstromerzeugungsanlage (14) und dem Solarreformer (16, 50, 100) einen Betrieb eines Steuerventils (30) beinhaltet, um die Menge des in den Solarreformer (16, 50, 100) geleiteten Kohlenwasserstofffluids (22) von einem vollständigen Umgehungsmodus bis zu einem vollständigen Reformierungsmodus einzustellen.
Solarreformer (16, 50, 100), der eingerichtet ist, um Solarenergie (24, 62, 112) aus einem Solarfeld (13) und ein Kohlenwasserstofffluid (22) als einen ankommenden Reaktantenstrom (63, 116) aufzunehmen, wobei der Solarreformer (16, 50, 100) die Solarenergie (24, 62, 112) und den ankommenden Reaktantenstrom (63, 116) in thermische Energie und chemische Energie mittels eines Reformierungsprozesses zum Erzeugen eines Reformatbrennstoffes (26, 71, 122) umwandelt, wobei der Solarreformer (16, 50, 100) aufweist: eine konusförmige Öffnung (58, 108), die eingerichtet ist, um die empfangene Solarenergie (24, 62, 112) durch das Quarzfenster (56, 106) hindurch und in eine Reformierungskammer (54, 104) hinein zu konzentrieren; einen Reformierungskatalysator (52, 128), der in der Reformierungskammer (54, 104) angeordnet ist; und eine koaxiale Rohr-in-Rohr-Leitung (54, 114), die in Fluidverbindung mit der Reaktionskammer (54, 104) steht und eingerichtet ist, um einen Einlass für den ankommenden Reaktantenstrom (63, 116) und einen Auslass für den Reformatbrennstoff (26, 71, 122) bereitzustellen, wobei der Solarreformer (16, 50, 100) so betrieben werden kann, dass er eine Kombinationszyklus-Gasturbinenanlage (14) bei vorhandener Solarenergie (24, 62, 112) mit Energie versorgen kann.
Solarreformer nach Anspruch 7, wobei der reformierende Katalysator (52) in der Reformerkammer (54) angeordnet und eingerichtet ist, um für eine direkte Heizung des ankommenden Reaktantenstroms (63) und des reformierenden Katalysators (52) zu sorgen, wobei die durch das Quarzfenster (56) geleitete Solarenergie (62) für eine direkte Heizung des ankommenden Reaktantenstroms (63) sorgt.
Solarreformer nach Anspruch 7 oder 8, wobei der reformierende Katalysator (128) in mehreren sich in der Reformerkammer (104) befindlichen Reaktionsrohren (126) angeordnet ist, wobei der ankommende Reaktantenstrom (116) die mehreren Reaktionsrohre (126) durchströmt, wobei die durch das Quarzfenster (106) geleitete Solarenergie (112) für eine indirekte Heizung des ankommenden Reaktantenstroms (116) mittels Wärmeleitung durch die mehreren Reaktionsrohre (126) sorgt.
Solarreformer nach einem der Ansprüche 7 bis 9, wobei der Solarreformer (16, 50, 100) zum Betreiben einer Methanreformierungsreaktion von: CH₄ + H₂O + (Solarwärme) → CO + 3H₂ oder 4CH₄ + O₂ + 2H₂O → 10H₂ + 4CO in dem Solarreformer (16, 50, 100) genutzt wird.