DE102012214907A1

DE102012214907A1 - Dampfkraftanlage zur Erzeugung von elektrischer Energie nach dem Oxyfuel-Verfahren

Info

Publication number: DE102012214907A1
Application number: DE201210214907
Authority: DE
Inventors: Olaf Hein; Hardy Kliemke; Damian Razowski; Andreas Waruschewski
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2012-08-22
Filing date: 2012-08-22
Publication date: 2013-10-24
Anticipated expiration: 2032-08-23
Also published as: DE102012214907B4

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb einer Dampfkraftanlage (100) zur Erzeugung von elektrischer Energie mittels eines Verbrennungsprozesses nach dem Oxyfuel-Verfahren und eines Dampfprozesses, sowie eine solche Dampfkraftanlage (100). Hierbei weist die Dampfkraftanlage (100) eine mit einem ersten Brennstoff (11) und Sauerstoff (12) versorgbare Brennkammer (110) auf, die bei Betrieb thermische Energie zur Dampfbereitung in einem Abhitzedampferzeuger (115) und Kohlendioxid (17) als Abgas bereit stellt, sowie eine Elektrolyseanlage (200), die bei Betrieb die Zersetzung von Wasser (13) in Wasserstoff (14) und Sauerstoff (12) erreicht, sowie eine Methanisierungseinheit (300), die bei Betrieb Methan (15) und/oder Methanol (16) unter Verbrauch von Wasserstoff (14) und Kohlendioxid (17) synthetisiert, welches Verfahren folgende Schritte aufweist: – Betreiben der Elektrolyseanlage (200) zur Bereitstellung von Wasserstoff (14) und Sauerstoff (12); – Betreiben der Brennkammer (110) mit dem ersten Brennstoff (11) und dem Sauerstoff (12), welcher durch die Elektrolyseanlage (200) bereit gestellt wurde; – Betreiben der Methanisierungseinheit (300) unter Verbrauch von Wasserstoff (14), welcher durch die Elektrolyseanlage (200) bereit gestellt wurde, und von Kohlendioxid, welches durch die Brennkammer (110) bereit gestellt wurde.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb einer Dampfkraftanlage zur Erzeugung von elektrischer Energie mittels eines Verbrennungsprozesses nach dem Oxyfuel-Verfahren und eines Dampfprozesses, sowie eine solche Dampfkraftanlage.
Die zukünftige Sicherung der öffentlichen Energieversorgung hat zahlreichen wirtschaftlichen, wie auch gesellschaftspolitischen Beschränkungen Rechnung zu tragen. So soll die Energiesicherung einerseits wirtschaftliche erfolgen, andererseits umweltfreundlich, vor allem unter Vermeidung der Emission von Treibhausgasen. Um diese Einschränkungen zu berücksichtigen, werden zunehmend regenerative Energiequellen zur Energieversorgung herangezogen. Hierunter sind zu rechnen die Sonnenenergie, Windenergie, Geothermieenergie, Biogasenergie, wie auch weitere Formen der erneuerbaren Energiequellen.
Da regenerative Energiequellen wie die Sonnenenergie oder auch die Windenergie nicht kontinuierlich auf einem konstanten Leistungsniveau für die Energieversorgung zur Verfügung stehen können, ergeben sich mitunter starke Lastschwankungen in öffentlichen Stromversorgungsnetzwerken, die vor allem durch geeignet zu- bzw. abzuschaltende Ausgleichskraftwerke aufgefangen werden sollen. Aufgrund der durch die Ausgleichskraftwerke zu erfüllenden technischen Rahmenbedingungen zeigt sich, dass insbesondere fossil befeuerte Kraftwerke als Ausgleichskraftwerke besonders vorteilhaft einsetzbar sind. Solche sind insbesondere Gaskraftwerke, Dampfkraftwerke, wie auch kombinierte Gas-Dampf-Kraftwerke.
Um solche Ausgleichkraftwerke umweltschonend zu betreiben, ist insbesondere eine Verminderung bzw. Vermeidung von umwelt- und klimaschädlichen Abgasen zu erreichen. Vor allem das Treibhausgas Kohlendioxid trägt zu der oft nicht ausreichend umweltfreundlichen Umwelteinflussnahme dieser fossil befeuerten Ausgleichskraftwerke bei. Zahlreiche technische Lösungen wurden bereits vorgeschlagen, um die CO₂-Bilanz solcher Kraftwerke zu verbessern. Darunter ist beispielsweise die nachträgliche Rauchgaswäsche zu nennen, in welcher nach einem erfolgten Kraftwerksprozess das entstehende Rauchgas durch chemische Behandlung mit geeigneten Waschmitteln (Solventen) behandelt wird. Hierbei wird das in dem Rauchgas befindliche CO₂zum Großteil entfernt und kann nachträglich gezielt zur weiteren Nutzung abgeschieden werden.
Die Bestückung von fossil befeuerten Kraftwerken mit solchen Rauchgasreinigungsanlagen erfordert jedoch einen hohen Investitionsaufwand, und bringt relativ hohe Betriebskosten mit sich. Da Ausgleichskraftwerke zunehmend nicht mehr kontinuierlich bei Volllast, bzw. in einem ausreichend wirtschaftlichen Lastzustand betrieben werden können, kann sich die nachträgliche CO₂-Abscheidung aus dem Rauchgas einer Kraftwerksanlage wirtschaftlich als nachteilig erweisen.
Es stellt sich folglich als technisch wünschenswert heraus, ein Verfahren zum Betrieb eines solchen Ausgleichskraftwerks vorzuschlagen, welches die oben beschriebenen Nachteile des Standes der Technik vermeidet. Insbesondere soll ein geeignetes Verfahren zum Betrieb einer Dampfkraftanlage vorgeschlagen werden, welches nur geringe oder sogar keine Kohlendioxidemissionen zur Folge hat. Weiterhin soll die Dampfkraftanlage einen kostengünstigen Betrieb auch während eines Stand-By-Zustands ermöglichen. Die anzugebende Dampfkraftanlage, bzw. das Verfahren zum Betrieb dieser Dampfkraftanlage soll zudem auch eine ausreichende Flexibilität erlauben, um auch hohe Leistungssprünge in verhältnismäßig kurzen Zeitintervallen auszuführen.
Erfindungsgemäß werden diese Aufgaben durch ein Verfahren zum Betrieb einer Dampfkraftanlage gemäß Patentanspruch 1 sowie durch eine Dampfkraftanlage gemäß Patentanspruch 14 gelöst.
Insbesondere werden diese Aufgaben durch ein Verfahren zum Betrieb einer Dampfkraftanlage zur Erzeugung von elektrischer Energie mittels eines Verbrennungsprozesses nach dem Oxyfuel-Verfahren und eines Dampfprozesses gelöst, wobei die Dampfkraftanlage eine mit einem ersten Brennstoff und Sauerstoff versorgbare Brennkammer aufweist, die bei Betrieb thermische Energie zur Dampfbereitung in einem Abhitzedampferzeuger und Kohlendioxid als Abgas bereitstellt, sowie eine Elektrolyseanlage, die bei Betrieb die Zersetzung von Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff erreicht, sowie eine Methanisierungseinheit, die bei Betrieb Methan und/oder Methanol unter Verbrauch von Wasserstoff und Kohlendioxid synthetisiert, welches Verfahren folgende Schritte aufweist:

– Betreiben der Elektrolyseanlage zur Bereitstellung von Wasserstoff und Sauerstoff;
– Betreiben der Brennkammer mit dem ersten Brennstoff und dem Sauerstoff, welcher durch die Elektrolyseanlage bereit gestellt wurde;
– Betreiben der Methanisierungseinheit unter Verbrauch von Wasserstoff, welcher durch die Elektrolyseanlage bereit gestellt wurde, und von Kohlendioxid, welches durch die Brennkammer bereit gestellt wurde.

Gleichzeitig wird die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe durch eine Dampfkraftanlage zur Erzeugung von elektrischer Energie mittels eines Verbrennungsprozesses nach dem Oxyfuel-Verfahren und eines Dampfprozesses gelöst, wobei die Dampfkraftanlage eine mit einem ersten Brennstoff und Sauerstoff versorgbare Brennkammer aufweist, die bei Betrieb thermische Energie zur Dampfbereitung in einem Abhitzedampferzeuger und Kohlendioxid als Abgas bereitstellt, sowie eine Elektrolyseanlage, die bei Betrieb die Zersetzung von Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff erreicht, sowie ein Methanisierungseinheit, die bei Betrieb Methan und/Methanol aus Wasserstoff und Kohlendioxid synthetisiert, wobei die Elektrolyseanlage mit der Brennkammer fluidtechnisch verbunden ist zur Zuleitung von Sauerstoff an die Brennkammer, und wobei die Methanisierungseinheit mit der Elektrolyseanlage fluidtechnisch verbunden ist zur Zuleitung von Wasserstoff an die Methanisierungseinheit, und wobei die Methanisierungseinheit mit der Brennkammer fluidtechnisch verbunden ist, zur Zuleitung von Kohlendioxid an die Methanisierungseinheit.
Erfindungsgemäß soll die Methanisierungseinheit geeignet sein zur Synthese von Methan und/oder Methanol. Insbesondere ist die Methanisierungseinheit mit einem Ergasnetz und/oder einem Methanoltank verbunden, um die Prozessprodukte gezielt abzuführen. Die Methanisierungseinheit kann hierbei Wasserstoff und Kohlendioxid als Ausgangsstoffe einsetzen. Ein Verbrauch von Kohlenmonoxid bzw. einem Gemisch von Kohlendioxid und Kohlenmonoxid bzw. einem Gemisch von Kohlendioxid, Kohlenmonoxid und Wasserdampf als Ausgangsstoffe zur Synthese von Methan und/oder Methanol ist ebenso denkbar. Folglich soll auch Kohlenmonoxid bzw. ein Gemisch von Kohlendioxid und Kohlenmonoxid auch dann mit von der Erfindung umfasst sein, wenn vorliegend lediglich Kohlendioxid als Ausgangsstoff angegeben wird. Für eine erleichternde Darstellung wird vorliegend jedoch mitunter nur von Kohlendioxid gesprochen.
Erfindungsgemäß soll also eine Dampfkraftanlage auf der Grundlage eines Verbrennungsprozesses nach dem Oxyfuel-Verfahren verwirklicht werden, wobei der bei dem Oxyfuel-Verfahren zu verbrennende Sauerstoff durch eine Elektrolyseanlage bereitgestellt wird. Der bei der Elektrolyse gleichzeitig frei werdende Wasserstoff wird einer Methanisierungseinheit zur Verfügung gestellt, die den Wasserstoff zusammen mit Kohlendioxid aus dem Oxyfuel-Verfahren zu Methanol bzw. Methan synthetisiert.
Das Verfahren zum Betrieb der Dampfkraftanlage bzw. die Dampfkraftanlage selbst erfordern einen abgestimmten Betrieb der Elektrolyseanlage, der Brennkammer, wie auch der Methanisierungseinheit, die jeweils bei Betrieb als Ausgangsstoffe einen Produktstoff der jeweils anderen Dampfkraftanlagenteile verbrauchen. Hierdurch wird zunächst eine sehr vorteilhafte Kohlendioxidbilanz der Dampfkraftanlage ermöglicht, da das Kohlendioxid bzw. Kohlenmonoxid nach Ausführen des Oxyfuel-Verfahrens geeignet abgetrennt und in der Methanisierungseinheit zur weiteren Synthese als Ausgangsstoff verbraucht werden kann. Das in der Methanisierungseinheit hergestellte Methan bzw. Methanol kann seinerseits wiederum einem Kraftwerksprozess zur elektrischen Energieerzeugung zugeführt werden, bzw. auch als wertvoller Ausgangsstoff in der chemischen Industrie Verwendung finden.
Um das Oxyfuel-Verfahren ausführen zu können, ist die Bereitstellung von Sauerstoff erforderlich. Erfindungsgemäß wird der Sauerstoff durch eine geeignete Elektrolyseanlage bereitgestellt, die Wasser durch Einwirkung von elektrischer Energie in Wasserstoff und Sauerstoff zerlegt. Der hierbei entstehende Wasserstoff, kann gleichzeitig in geeigneter Weise durch die Methanisierungseinheit zur Herstellung von Methan und/oder Methanol verbraucht werden. Damit schließt sich der Stoffkreislauf der Elektrolyseanlage.
Gleichzeitig ermöglicht die vorliegende Erfindung die Verwirklichung eines Wasserstoffkreislaufs, wenn beispielsweise auch der Wasserstoff bzw. das mit ihm hergestellte Methan bzw. Methanol zur Verbrennung in einem Kraftwerksprozess vorgesehen werden, wobei das dabei entstehende Wasser wiederum zur elektrolytischen Zersetzung durch die Elektrolyseanlage vorgesehen sein kann.
Hierbei sei auch darauf hingewiesen, dass das durch die Brennkammer bereitgestellte Kohlendioxid bzw. Kohlenmonoxid mitunter erst nach geeigneter Reinigung bzw. Abscheidung anderer Verunreinigungen aus dem Abgas des Oxyfuel-Verfahrens zur weiteren Reaktion in der Methanisierungseinheit vorgesehen sein kann. Insbesondere entstehen bei einem Verbrennungsprozess auf Grundlage des Oxyfuel-Verfahrens auch Partikel, Kohlenmonoxid wie auch Schwefelgase, die mitunter abgetrennt werden müssen. Welche Verunreinigungen aus dem Abgasstrom abzutrennen sind, wird auch durch die Art des verwendeten ersten Brennstoffes maßgeblich mit beeinflusst. Vorzugsweise ist der erste Brennstoff Kohle.
Gemäß einer ersten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass der Wasserstoff nach Bereitstellung durch die Elektrolyseanlage in einem ersten Gasspeicher zur späteren Entnahme zwischengespeichert wird. Folglich kann der Elektrolyseprozess, der mit der Elektrolyseanlage ausgeführt wird, zeitlich unabhängig von dem Methanisierungsprozess in der Methanisierungseinheit durchgeführt werden. Weiterhin erlaubt der erste Gasspeicher eine gezielte Entnahme und Dosierung von Wasserstoff, die etwa auf die in der Methanisierungseinheit vorherrschenden Reaktionsbedingungen eingestellt werden kann. Ebenso ist es möglich, den Wasserstoff zur Versorgung eines weiteren Verbrennungsprozesses vorzusehen, beispielsweise eines Gasturbinenverbrennungsprozesses, in welchem der in dem ersten Gasspeicher bevorratete Wasserstoff in gewünschten Mengen kontrolliert verbrannt werden kann.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen, dass der Sauerstoff nach Bereitstellung durch die Elektrolyseanlage in einem zweiten Gasspeicher zur späteren Entnahme zwischengespeichert wird. Die Zwischenspeicherung des Sauerstoffs, erlaubt eine zeitlich unabhängige Versorgung der Brennkammer. Für die Versorgung des Oxyfuel-Verbrennungsprozesses in der Brennkammer kann dem zweiten Gasspeicher eine gezielte Menge an Sauerstoff entnommen werden, die auf die vorherrschenden Reaktionsbedingungen des Oxyfuel-Verfahrens eingestellt werden kann.
Entsprechend eines weiteren Aspekts des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen, dass die Elektrolyseanlage durch eine regenerative Energiequelle wenigstens zeitweise mit elektrischer Energie versorgt wird. Die regenerative Energiequelle ist hierbei bevorzugt eine Photovoltaik-Anlage bzw. eine Windkraftanlage. Jedoch auch andere regenerative Energiequellen sind für die Versorgung der Elektrolyseanlage mit elektrischer Energie geeignet. Insbesondere kann die Elektrolyseanlage auch mit elektrischer Energie aus den öffentlichen Stromversorgungsnetzwerken betrieben werden zu Zeiten, zu welchen regenerative Energiequellen eine besonders hohe Einspeiseleistung verzeichnen. Die Versorgung der Elektrolyseanlage mittels regenerativer elektrischer Energie gestaltet den Elektrolyseprozess besonders umweltverträglich. Gleichzeitig wird der Gesamtwirkungsgrad der Dampfkraftanlage durch die regenerative Energiequelle vergrößert.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens ist vorgesehen, dass die Elektrolyseanlage durch elektrische Energie aus dem Dampfprozess der Dampfkraftanlage wenigstens zeitweise versorgt wird. Je nach etwa durch regenerative Energiequellen bereitgestellter elektrischer Leistung, kann unterstützend weitere elektrische Energie für die Durchführung des Elektrolyseprozesses der Elektrolyseanlage bereitgestellt werden. Vor allem während eines Stand-By-Betriebs der Dampfkraftanlage, bei welcher keine elektrische Energie an die öffentlichen Stromversorgungsnetzwerke übertragen werden soll, kann der Elektrolyseprozess so energetisch besonders effizient betrieben werden.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen, dass eine von der Dampfkraftanlage umfasste Gasturbine unter Verbrennung eines gasförmigen, zweiten Brennstoffs betrieben wird, wobei die Abgase dieser Verbrennung wenigstens teilweise zur thermischen Wechselwirkung dem Abhitzedampferzeuger zur Unterstützung der Dampferzeugung zugeleitet werden. Der durch die Gasturbine ausgeführte Gasturbinenprozess erlaubt in erster Linie die Bereitstellung von elektrischer Energie. Gleichzeitig kann durch die Nutzung der Abwärme in den Abgasen mittels der Dampferzeugung in dem Abhitzedampferzeuger eine energieeffiziente Einbindung des Gasturbinenprozesses in die Dampfkraftanlage erreicht werden.
Gemäß einer Weiterbildung dieses Verfahrens ist vorgesehen, dass die Gasturbine unter Verbrennung von durch die Elektrolyseanlage bereitgestelltem Wasserstoff als zweiten Brennstoff, bzw. als Bestandteil des zweiten Brennstoffs betrieben wird. Hierbei ermöglicht die Gasturbine die Verstromung von in dem Wasserstoff gebundener chemischer Energie zur elektrischen Energiegewinnung. Diese kann zu einem Zeitpunkt erfolgen, welcher dem durch die Elektrolyseanlage ausgeführten Elektrolyseprozess zeitlich nachgelagert ist. Somit gestaltet sich die Ausführungsform des Verfahrens als besonders flexibel und wirtschaftlich. Hierbei ist auch zu berücksichtigen, dass Wasserstoff für den Betrieb von Gasturbinenprozessen bei Verwendung von herkömmlichen Gasturbinen nur als Zusatz eines Brennstoffgemisches eingesetzt werden kann. Durch die Verwendung von geeignet angepassten Gasturbinen, kann der Wasserstoffanteil jedoch darüber hinaus erhöht werden. Die Verbrennung von Wasserstoff durch die Gasturbine, erlaubt zudem die Ausbildung eines geschlossene Wasserstoffkreislaufs, welcher dann wieder geschlossen wird, wenn das in dem Abgas der Gasturbine befindliche Wasser ausgeschieden und der Elektrolyseanlage zur erneuten elektrolytischen Zerlegung zugeführt wird.
Alternativ oder ergänzend zu der Verbrennung von Wasserstoff als zweitem Brennstoff durch die Gasturbine kann auch die Verbrennung von Methan und/oder Methanol vorgesehen sein. Diese Brennstoffe bieten sich insbesondere dann an, wenn zeitweise Wasserstoff nicht zur Verfügung stehen kann, etwa aus Gründen eines übergroßen Verbrauchs von Wasserstoff, bzw. zu geringer Erzeugungsraten.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass Wärme von der Methanisierungseinheit bei Betrieb entnommen und der Gasturbine zur Vorwärmung von Ansaugluft und/oder dem zweiten Brennstoff zugeführt wird. Folglich ermöglicht die Wärmeübertragung eine vorteilhafte thermische Konditionierung der durch den Gasturbinenprozess verbrannten Ausgangsstoffe, wobei der Gasturbinenprozess besonders effizient und wirtschaftlich gestaltet ist. Hierbei wird die Wärme der Methanisierungseinheit der Gasturbine vor allem während eines Stand-By-Betriebs oder eines Parkzustands zugeführt. Weist die Gasturbine zwei hinter einander geschaltete Verdichterstufen auf, ist es besonders vorteilhaft, nur die Ansaugluft der zweiten (in Bezug auf die Richtung der Ansaugluft) Verdichterstufe vorzuwärmen, da bei einer Vorwärmung der Ansaugluft der ersten Verdichterstufe ein unerwünschter Anstieg der Druckänderungsarbeit die Folge wäre.
Vorteilhaft kann die von der Methanisierungseinheit bei Betrieb entstehende Wärme auch auf ein Fernwärmenetzwerk übertragen werden. Dies ist besonders vorteilhaft bei einem Stand-By-Betrieb der Gasturbine, also wenn diese selbst nicht die Wärme zu einem effizienten Betrieb verbrauchen kann.
Entsprechend einer Weiterführung dieses Aspektes ist vorgesehen, dass die von der Methanisierungseinheit bei Betrieb entnommene Wärme in einem Wärmespeicher zur späteren Entnahme zwischengespeichert wird. Der Wärmespeicher ist insbesondere als Rekuperator ausgebildet. Folglich kann diese der Methanisierungseinheit entnommene Wärme zu einem späteren Zeitpunkt etwa dem Gasturbinenprozess zur Verfügung gestellt werden. Die Zwischenspeicherung in dem Wärmespeicher erhöht die Flexibilität, wie auch Wirtschaftlichkeit des ausführungsgemäßen Verfahrens.
Entsprechend einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen, dass Wasser aus den Abgasen der Gasturbine abgeschieden wird, welches insbesondere der Elektrolyseanlage zur elektrolytischen Zersetzung in Wasserstoff und Sauerstoff zugeleitet wird. Ausführungsgemäß kann das in den Abgasen der Gasturbine enthaltene Wasser nutzbar gemacht werden. Besonders effizient kann diese Nutzbarmachung durch die Elektrolyseanlage erfolgen, da mit ihrer Hilfe der Wasserstoffkreislauf der Dampfkraftanlage geschlossen werden kann. Der durch die Elektrolyseanlage zur Verfügung gestellte Wasserstoff kann nämlich über das aus den Abgasen abgeschiedene Wasser nach erneuter elektrolytischer Zersetzung wieder im Dampfkraftanlagenprozess als Brennstoff oder als Ausgangsstoff für die Methan- und/oder Methanolherstellung verbraucht werden.
Entsprechend einer darauf aufbauenden Ausführungsform ist vorgesehen, dass das Wasser vor Zuleiten an die Elektrolyseanlage in einem Wasserspeicher zwischengespeichert wird. Die Zwischenspeicherung erfolgt für eine zeitlich nachfolgende bzw. verzögerte Zuleitung an die Elektrolyseanlage. Damit wird die Ausführung des Elektrolyseprozesses mittels der Elektrolyseanlage unabhängig von der Ausführung der Abscheidung von Wasser aus den Abgasen der Gasturbine. Gleichzeitig erlaubt die Zwischenspeicherung von Wasser auch eine gezielte und dosierte Einbringung von Wasser in den Verbrennungsprozess der Gasturbine, um damit beispielsweise eine gewünschte Leistungsanpassung herbeizuführen. Zu einer solchen Leistungsanpassung wird beispielsweise Wasser während des Verbrennungsprozesses in den Verbrennungsraum der Gasturbine eingedüst.
Gemäß einer weiteren besonders bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen, dass die von der Dampfkraftanlage umfasste Gasturbine eine Verdichterstufe sowie eine Turbinenstufe aufweist, welche mechanisch voneinander entkoppelt sind, wobei wenigstens ein Teil der von der Verdichterstufe verdichteten Luft der Turbinenstufe zugeleitet wird. Durch die mechanische Entkopplung von Verdichterstufe und Turbinenstufe kann ein Betrieb der beiden Stufen bei unterschiedlichen Drehzahlen erfolgen, wobei etwa die Drehzahl der Turbinenstufe auf eine Nennfrequenz eines zu beliefernden öffentlichen Stromversorgungsnetzwerks abgestimmt werden kann, jedoch die Drehzahl der Verdichterstufe davon unabhängig gewählt wird. Die Entkopplung von Verdichterstufe und Turbinenstufe ermöglicht insbesondere eine wirtschaftliche Ausführung des Stand-By-Betriebs bzw. ein sehr schnelles Hochfahren der Gasturbine auf Nennlast. Dies wiederum verringert den Brennstoffverbrauch der Gasturbine und gestaltet den Gasturbinenprozess besonders effizient und wirtschaftlich. Eine Verdichterstufe soll erfindungsgemäß im Sinne einer Verdichterstation bzw. Kompressorstation verstanden werden. Insbesondere ist eine Verdichterstufe nicht lediglich eine Leit- bzw. Laufschaufelreihe innerhalb einer solchen Verdichterstufe.
Gemäß einer Weiterführung diese Aspektes ist vorgesehen, dass die von der Verdichterstufe verdichtete Luft durch thermische Wechselwirkung mit einer Wärmequelle thermisch konditioniert wird, wobei insbesondere die Wärmequelle identisch ist mit dem von der Methanisierungseinheit bei Betrieb mit Wärme versorgtem Wärmespeicher. Aufgrund der thermischen Konditionierung kann der thermische Wirkungsgrad des Gasturbinenprozesses erhöht werden, da bei gleicher Leistungsabgabe die Menge an Brennstoff verringert werden kann. Insbesondere bei Nutzung von der Methanisierungseinheit bereitgestellter Wärme kann eine effiziente Rückführung von thermischer Energie in den Dampfkraftanlagenprozess erreicht werden.
Entsprechend eines weiteren, vorteilhaften Aspekts des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen, dass die Turbinenstufe während eines Stand-By-Betriebs von einem thermisch konditioniertem Fluid durchströmt wird. Das Fluid weist insbesondere ein Temperaturniveau von wenigstens 500°C, besonders bevorzugt zwischen 550°C und 600°C auf. Das Fluid, welches bevorzugt Luft ist, ist mit einer Strömung beaufschlagt, welche etwa durch ein Zusatzgebläse erzeugt wird. Alternativ kann die Strömung auch durch Betrieb der Verdichterstufe erreicht werden, die bspw. drehzahlgesteuert angetrieben wird. Um das Temperaturniveau des Fluids einzustellen, kann eine Heizeinrichtung vorgesehen sein, die das Fluid durch direkten oder indirekten Wärmeübertrag mit der notwendigen Wärmemenge versorgt. Alternativ oder zusätzlich kann die thermische Konditionierung auch mittels eines Pilotbrenners der Brennstufe der Gasturbine erfolgen. Bevorzugt kann auch Abwärme der Methanisierungseinheit bei Betrieb auf das Fluid zur thermischen Konditionierung übertragen werden. Durch die ausführungsgemäße thermische Behandlung der Turbinenstufe mit einem erwärmten Fluid kann ein schnelleres Hochfahren aus dem Stand-By-Betrieb der Turbinenstufe erreicht werden. Ebenso kann dadurch die Lebensdauer der Turbinenstufe deutlich erhöht werden.
Gemäß einer ersten besonders bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Dampfkraftanlage ist vorgesehen, dass weiter eine Gasturbine umfasst wird, wobei die Gasturbine mit dem Abhitzedampferzeuger fluidtechnisch in der Art verbunden ist, dass Abgase der Verbrennung in der Gasturbine wenigstens teilweise zur thermischen Wechselwirkung dem Abhitzedampferzeuger und zur Dampferzeugung zugeleitet werden können. Die über die Abgase gewonnene Abwärme kann folglich zu einem effizienten Betrieb der Dampfkraftanlage wieder dem Dampfkraftanlagenprozess zugeführt werden.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand einer schematischen Schaltskizze im Detail erläutert.
Hierbei sei darauf hingewiesen, dass die schematische Darstellungsform keine Einschränkung hinsichtlich einer konkreten Ausführung bedeutet. Zudem sollen die in der schematischen Darstellung wiedergegebenen Bestandteile, wie auch Verfahrensabläufe einzeln für sich, wie auch in Zusammensicht mit anderen Merkmalen beansprucht werden. Dem Fachmann ist hierbei ersichtlich, dass einzelne Merkmale bzw. Verfahrensschritte in geeigneter Weise derart kombiniert werden können, dass der resultierende Gesamtgegenstand bzw. das resultierende Gesamtverfahren von dem in der Figur gezeigten Gegenstand bzw. Verfahren abweichen.
Hierbei zeigen:
1 eine schematische Schaltansicht einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Dampfkraftanlage.
1 zeigt eine schematische Schaltansicht einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Dampfkraftanlage 100, sowie eine Veranschaulichung der zum Betrieb der Dampfkraftanlage 100 erfolgenden Prozessschritte. Die Dampfkraftanlage 100, weist neben einer Dampfturbine 160 eine Brennkammer 110 auf, die mit einem Abhitzedampferzeuger 115 zur Dampfbereitung in thermische Wechselwirkung steht. Der mittels des Abhitzedampferzeugers 115 erzeugte Dampf wird über einen Wasser-Dampf-Kreislauf 165 an die Dampfturbine 160 geleitet. Erfindungsgemäß wird die Brennkammer 110 mit Sauerstoff 12, wie auch einem ersten Brennstoff 11 versorgt. Beide Stoffe werden in einem Oxyfuel-Verfahren miteinander zur Reaktion gebracht. Die dabei entstehende thermische Energie wird dem Abhitzedampferzeuger 115 zugeführt, wobei das entstehende Abgas im Wesentlichen aus CO₂ und Wasser besteht. Zusätzlich kann auch CO enthalten sein. Daneben können auch weitere Verunreinigungen je nach Verbrennungsbedingungen enthalten sein. Solche können etwa gasförmige Schwefeloxide sein.
Das bei dem Oxyfuel-Verfahren entstehende Kohlendioxid bzw. Kohlenmonoxid wird gezielt abgeschieden und einer Methanisierungseinheit 300 zur Verfügung gestellt. Die Methanisierungseinheit 300 ist geeignet, Methan 15 oder Methanol 16 aus den Ausgangsstoffen zu synthetisieren. Gleichzeitig erfordert diese Synthese neben der Bereitstellung von CO₂ und/Oder CO auch die Bereitstellung von Wasserstoff. Um den Wasserstoff für die Methanisierungseinheit 300 bereitzustellen, ist eine Elektrolyseanlage 200 vorgesehen, der Wasser zur elektrolytischen Zersetzung zugeführt wird. Mittels elektrischer Energie aus einer regenerativen Energiequelle 210 bzw. eines durch die Dampfturbine 160 angetriebenen Generators wird das Wasser in seine Bestandteile Wasserstoff 14, sowie Sauerstoff 12 zersetzt. Der dabei entstehende Sauerstoff 12 kann wiederum der Brennkammer 110 zur Verfügung gestellt werden, um das Oxyfuel-Verfahren zu betreiben.
Ausführungsgemäß wird der durch die Elektrolyseanlage 200 bereitgestellte Sauerstoff 12 in einem zweiten Gasspeicher 32 zwischengespeichert. Der durch die Elektrolyseanlage 200 erzeugte Wasserstoff 14 kann ebenfalls in einem ersten Gasspeicher 31 zwischengespeichert werden, um daran anschließend gezielt einem weiteren Verbrennungsprozess zugeführt zu werden. Alternativ hierzu kann auch der Wasserstoff 14 aus dem ersten Gasspeicher 31 der Methanisierungseinheit 300 zugeführt werden.
Zur Unterstützung der in dem Abhitzedampferzeuger 115 ausgeführten Dampfbereitung kann Abgas 20 einer Gasturbine dem Abhitzedampferzeuger 115 zugeführt werden. Das heiße Abgas 20 vermag den Dampfbereitungsprozess in dem Abhitzedampferzeuger 115 durch thermische Wechselwirkung zu unterstützen bzw. zu erreichen.
Die Gasturbine 120 weist neben einer Verdichterstufe 121, sowie einer Brennstufe 122 auch eine Turbinenstufe 123 auf, die zur elektrischen Energieerzeugung mit einem Generator gekoppelt ist. Ausführungsgemäß sind die Verdichterstufe 121 und die Turbinenstufe 123 voneinander mechanisch entkoppelt, so dass beide bei unterschiedlichen Drehzahlen betrieben werden können. Bei Betrieb der Gasturbine wird Luft 21 in die Verdichterstufe 121 eingesaugt und die damit verdichtete Luft nach thermischer Konditionierung durch einen Wärmespeicher 310 der Brennstufe 122 zugeführt. Die Brennstufe 122 ist hierbei in der Lage, den durch die Elektrolyseanlage 200 bereitgestellten Wasserstoff 14 zur Verbrennung zu führen. Gleichzeitig wird typischerweise der Brennstufe 122 weiterer Brennstoff zugeführt (vorliegend nicht gezeigt).
Vorliegend ist die Verdichterstufe 121 zweistufig aufgebaut, d.h. zwei einzelne und mechanisch gekoppelte Verdichtereinheiten sind zu einer Verdichterstufe 121 zusammen geschaltet. Bei Verdichtung der angesaugten Luft 21 erfolgt zunächst eine thermische Erwärmung aufgrund der Arbeitsleistung der ersten Verdichtereinheit an der Luft 21. Diese Wärme kann vor allem während der Wintermonate als Niedertemperaturwärme an geeignete Anwendungen abgeführt werden. Solche Anwendungen sind etwa Fernwärme, Meerwasserentsalzung oder Braunkohletrocknung. Die so genutzte Wärme wird vorliegend über eine Wärmenutzungsleitung 125 abgeführt. Ebenfalls kann die nicht weiter genutzte Wärme einer Abscheidungsanlage 130 (siehe auch unten!) der Wärmenutzungsleitung 125 zugeführt werden.
Um der Brennstufe 122 zugeführte verdichtete Luft thermisch geeignet anzupassen, kann eine Temperaturerhöhung durch Wärmeaustausch mit dem Wärmespeicher 310 erfolgen. Der Wärmespeicher 310 ist über eine Wärmeleitung 170 mit der Methanisierungseinheit 300 verbunden und kann bei dem Methanisierungsprozess entstehende Abwärme in geeigneter Weise zwischenspeichern, wie auch auf den verdichteten Luftstrom übertragen. Demgemäß erfüllt der Wärmespeicher 310 die Funktion einer Wärmequelle 124. Beide Bestandteile, können jedoch auch unabhängig voneinander baulich verwirklicht sein.
Um die Arbeitsleistung des in der Turbinenstufe 123 entspannenden Brennstoffgemisches zu erhöhen, kann der durch die Verdichterstufe 121 verdichteten Luft zusätzlich Wasser 13 aus einem Wasserspeicher 220 injiziert werden. Die so erreichte Aufsättigung mit Wasser 13 bewirkt eine Abkühlung der verdichteten Luft. Folglich kann dem Wasserspeicher 220 mehr Wärme entzogen werden, wodurch eine Erhöhung des Massenstroms ohne nennenswerte zusätzliche Verdichterleistung erreicht werden kann. Dies verbessert den Wirkungsgrad der Turbinenstufe 123. Der Wasserspeicher 220 wird mit Wasser versorgt, welches durch eine Abscheidungsanlage 130 aus dem Abgas 19 der Brennkammer 110 entnommen ist. Gleichzeitig dient der Wasserspeicher 220 einer gezielten Versorgung der Elektrolyseanlage 200 mit elektrolytisch zu zerlegendem Wasser.
In der Abscheidungsanlage 130 wird dem Abgas 19 der Brennkammer 110 durch einen geeigneten verfahrenstechnischen Vorgang, beispielsweise durch Auskondensation, Wasser entnommen. Das restliche Abgas wird anschließend der freien Umgebung über einen Schlot 140 zugeleitet. Die in dem verbleibenden Abgas 19 noch befindliche Wärme kann zudem in einer Fernwärmeanlage genutzt werden. Insofern ist die Abscheidungsanlage 130 auch noch mit einem Fernwärmeanschluss 150 versehen. Hinsichtlich der Gewinnung von CO₂ in den in der Brennkammer 110 ausgeführtem Oxyfuel-Verfahren ist anzumerken, dass zur Gewinnung von CO₂ typischerweise das Abgas geeignete Behandlungsschritte durchlaufen muss. So wird typischerweise zunächst aus dem Abgas das Wasser, beispielsweise mittels der Ausscheidungsanlage 130, abgetrennt. Ebenso werden in dem Abgas befindliche Partikel bzw. Fremdgase abgeschieden. Erst danach kann mittels des Oxyfuel-Verfahrens CO₂ in ausreichender Reinheit für den Methanisierungsprozess bereitgestellt werden.
Gemäß der vorliegenden Darstellung in 1 ist die Bereitstellung von CO₂ jedoch unabhängig von der Abscheidung von Wasser mittels der Abscheidungsanlage 130 dargestellt. Dem Fachmann ist ersichtlich, dass beide Verfahren mitunter nicht parallel sondern nur seriell erfolgen können. Eine Einschränkung hinsichtlich der Ausführbarkeit der Erfindung ist dabei jedoch nicht gegeben.
Zudem sei darauf hingewiesen, dass die Methanisierungseinheit 300 neben Kohlendioxid auch Kohlenmonoxid als Ausgangsstoff für die Methanherstellung bzw. Methanolherstellung einsetzen kann. Insofern ist auch das in 1 dargestellte Kohlendioxid 17 durch Kohlenmonoxid bzw. durch ein Gemisch von Kohlenmonoxid und Kohlendioxid ersetzbar.
Weitere Ausführungsformen ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Claims

Verfahren zum Betrieb einer Dampfkraftanlage (100) zur Erzeugung von elektrischer Energie mittels eines Verbrennungsprozesses nach dem Oxyfuel-Verfahren und eines Dampfprozesses, wobei die Dampfkraftanlage (100) eine mit einem ersten Brennstoff (11) und Sauerstoff (12) versorgbare Brennkammer (110) aufweist, die bei Betrieb thermische Energie zur Dampfbereitung in einem Abhitzedampferzeuger (115) und Kohlendioxid (17) als Abgas bereit stellt, sowie eine Elektrolyseanlage (200), die bei Betrieb die Zersetzung von Wasser (13) in Wasserstoff (14) und Sauerstoff (12) erreicht, sowie eine Methanisierungseinheit (300), die bei Betrieb Methan (15) und/oder Methanol (16) unter Verbrauch von Wasserstoff (14) und Kohlendioxid (17) synthetisiert, welches Verfahren folgende Schritte aufweist: – Betreiben der Elektrolyseanlage (200) zur Bereitstellung von Wasserstoff (14) und Sauerstoff (12); – Betreiben der Brennkammer (110) mit dem ersten Brennstoff (11) und dem Sauerstoff (12), welcher durch die Elektrolyseanlage (200) bereit gestellt wurde; – Betreiben der Methanisierungseinheit (300) unter Verbrauch von Wasserstoff (14), welcher durch die Elektrolyseanlage (200) bereit gestellt wurde, und von Kohlendioxid, welches durch die Brennkammer (110) bereit gestellt wurde.
Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Wasserstoff (14) nach Bereitstellung durch die Elektrolyseanlage (200) in einem ersten Gasspeicher (31) zur späteren Entnahme zwischengespeichert wird.
Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Sauerstoff (12) nach Bereitstellung durch die Elektrolyseanlage (200) in einem zweiten Gasspeicher (32) zur späteren Entnahme zwischengespeichert wird.
Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektrolyseanlage (200) durch eine regenerative Energiequelle (210) wenigstens zweitweise mit elektrischer Energie versorgt wird.
Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektrolyseanlage (200) durch elektrische Energie aus dem Dampfprozess der Dampfkraftanlage (100) wenigstens zweitweise versorgt wird.
Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine von der Dampfkraftanlage (100) umfasste Gasturbine (120) unter Verbrennung eines gasförmigen, zweiten Brennstoffs (18) betrieben wird, wobei die Abgase dieser Verbrennung wenigstens teilweise zur thermischen Wechselwirkung dem Abhitzedampferzeuger (115) zur Unterstützung der Dampferzeugung zugeleitet werden.
Verfahren gemäß Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Gasturbine (120) unter Verbrennung von durch die Elektrolyseanlage (200) bereit gestelltem Wasserstoff (14) als zweiten Brennstoff (18) bzw. als Bestandteil des zweiten Brennstoffs (18) betrieben wird.
Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass Wärme von der Methanisierungseinheit (300) bei Betrieb entnommen und der Gasturbine (120) zur Vorwärmung von Ansauglauft und/oder dem zweiten Brennstoff (18) zugeführt wird.
Verfahren gemäß Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die von der Methanisierungseinheit (300) bei Betrieb entnommene Wärme in einem Wärmespeicher (310) zur späteren Entnahme zwischengespeichert wird.
Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass Wasser (13) aus den Abgasen der Gasturbine (120) abgeschieden wird, welches insbesondere der Elektrolyseanlage (200) zur elektrolytischen Zersetzung in Wasserstoff (14) und Sauerstoff (12) zugeleitet wird.
Verfahren gemäß Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Wasser (13) vor Zuleiten an die Elektrolyseanlage (200) in einem Wasserspeicher (220) zwischengespeichert wird.
Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche 6 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die von der Dampfkraftanlage (100) umfasste Gasturbine (120) eine Verdichterstufe (121) sowie eine Turbinenstufe (123) aufweist, welche mechanisch voneinander entkoppelt sind, wobei wenigstens ein Teil der von der Verdichterstufe (121) verdichteten Luft der Turbinenstufe (123) zugeleitet wird.
Verfahren gemäß Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die von der Verdichterstufe (121) verdichtete Luft durch thermische Wechselwirkung mit einer Wärmequelle (124) thermisch konditioniert wird, wobei insbesondere die Wärmequelle (124) identisch ist mit dem von der Methanisierungseinheit (300) bei Betrieb mit Wärme versorgten Wärmespeicher (310).
Dampfkraftanlage (100) zur Erzeugung von elektrischer Energie mittels eines Verbrennungsprozesses nach dem Oxyfuel-Verfahren und eines Dampfprozesses, wobei die Dampfkraftanlage (100) eine mit einem ersten Brennstoff (11) und Sauerstoff (12) versorgbare Brennkammer (110) aufweist, die bei Betrieb thermische Energie zur Dampfbereitung in einem Abhitzedampferzeuger (115) und Kohlendioxid (17) als Abgas bereit stellt, sowie eine Elektrolyseanlage (200), die bei Betrieb die Zersetzung von Wasser (13) in Wasserstoff (14) und Sauerstoff (12) erreicht, sowie eine Methanisierungseinheit (300), die bei Betrieb Methan (15) und/oder Methanol (16) aus Wasserstoff (14) und Kohlendioxid (17) synthetisiert, wobei die Elektrolyseanlage (200) mit der Brennkammer (110) fluidtechnisch verbunden ist zur Zuleitung von Sauerstoff (12) an die Brennkammer (110), und wobei die Methanisierungseinheit (300) mit der Elektrolyseanlage (200) fluidtechnisch verbunden ist zur Zuleitung von Wasserstoff (14) an die Methanisierungseinheit (300), und wobei die Methanisierungseinheit (300) mit der Brennkammer (110) fluidtechnisch verbunden ist zur Zuleitung von Kohlendioxid (17) an die Methanisierungseinheit (300).
Dampfkraftanlage gemäß Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass weiter eine Gasturbine (120) umfasst wird, wobei die Gasturbine (120) mit dem Abhitzedampferzeuger (115) fluidtechnisch in der Art verbunden ist, dass Abgase der Verbrennung in der Gasturbine (120) wenigstens teilweise zur thermischen Wechselwirkung dem Abhitzedampferzeuger (115) zur Dampferzeugung zugeleitet werden können.