DE102012220106A1

DE102012220106A1 - Security system for use in power generation plant, has hydrogen-absorbing substance provided in container that is permanently connected to component, where permanent connection is made by absorbing and storing hydrogen in material

Info

Publication number: DE102012220106A1
Application number: DE201210220106
Authority: DE
Inventors: Martin Meister
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2012-11-05
Filing date: 2012-11-05
Publication date: 2014-05-08

Abstract

The system has a component performing normal operation of a plant and an incident during releasing hydrogen. A hydrogen-absorbing substance (3) is provided in a container (2) that is permanently connected to the component, where the permanent connection is made by absorbing and storing hydrogen in the hydrogen-absorbing substance. A connection pipe (1) is arranged close to the container, where the hydrogen-absorbing substance is specified as 3-Carbozol and/or N-Ethylcarbazol. A hydrogen-cooled generator is arranged in a generator housing.

Description

Die Erfindung betrifft ein Sicherheitssystem in einer Anlage, insbesondere einer Energieerzeugungsanlage, umfassend zumindest ein Bauelement, welches sich bei normalem Betrieb der Anlage oder/und bei einem Störfall durch die Freisetzung von Wasserstoff auszeichnet. The invention relates to a safety system in a plant, in particular a power generation plant, comprising at least one component which is distinguished by the release of hydrogen during normal operation of the plant and / or in the event of a malfunction.

Wasserstoff wird in vielen Bereichen der Energieerzeugungsanlagen für die unterschiedlichsten Zwecke verwendet. Als ein erstes Beispiel sind hier die Hybridenergieerzeugungsanlagen zu nennen. Hybridenergieerzeugungsanlagen wie beispielsweise Windkraftwerke können durch Windkraft Strom erzeugen, der dann direkt in ein Netz eingespeist wird. Windenergie liefert jedoch Strom abhängig vom Wetter. Daher wird zuviel erzeugter Strom dazu genutzt Wasserstoff durch Wasser zu erzeugen und zu speichern. Der erzeugte und gespeicherte Wasserstoff wird beispielsweise mit Methan aus einer Biogasanlage gemischt und kann dann dazu dienen, ein Blockheizkraftwerk anzutreiben, welches wiederum Strom und Wärme erzeugt. Hydrogen is used in many areas of power generation plants for a variety of purposes. As a first example, the hybrid power generation plants are mentioned here. Hybrid power plants such as wind power plants can generate electricity by wind power, which is then fed directly into a grid. Wind energy, however, provides power depending on the weather. Therefore, too much power generated is used to generate and store hydrogen through water. The generated and stored hydrogen is mixed, for example, with methane from a biogas plant and can then serve to drive a combined heat and power plant, which in turn generates electricity and heat.

Auch wird Wasserstoff zur Abkühlung eines elektrischen Generators eines Kraftwerkes oder einzelner Bauelemente verwendet. Damit kann beispielsweise eine Steigerung des Wirkungsgrades des Generators erzielt werden. Die Verwendung von Wasserstoff anstelle von beispielsweise Luft bewirkt nämlich geringere Gasreibungsverluste und doppeltes Wärmeabfuhrvermögen. Also, hydrogen is used to cool an electric generator of a power plant or individual components. Thus, for example, an increase in the efficiency of the generator can be achieved. Namely, the use of hydrogen instead of, for example, air causes lower gas friction losses and double heat removal capability.

Auch gibt es bereits Wasserstoff-Gasturbinen, die zum Teil immer noch weiterentwickelt werden, aber auch zum Teil schon in IGCC-Anlagen eingesetzt werden. Wasserstoff-Gasturbinen können Wasserstoff verbrennen, der zuvor in Kraftwerken, beispielsweise Windkraftwerken, erzeugt und gespeichert wurde. There are also hydrogen gas turbines, some of which are still being developed, but some of them are already being used in IGCC plants. Hydrogen gas turbines can burn hydrogen previously generated and stored in power plants, such as wind power plants.

Auch in der Automobiltechnik wird verflüssigter Wasserstoff verwendet. Liquefied hydrogen is also used in automotive engineering.

Wegen seiner chemischen und physikalischen Eigenschaften unterscheidet sich der Umgang mit Wasserstoff von den bisher genutzten Energieträgern. Daraus resultieren jedoch verschiedene Probleme. Because of its chemical and physical properties, the handling of hydrogen differs from the previously used energy sources. However, this results in various problems.

Wasserstoff hat nur eine geringe molare Masse und daraus resultierend eine niedrige volumenbezogene Energiedichte. Durch die geringe Molekülgröße diffundiert Wasserstoff relativ gut durch eine Vielzahl von Materialien. Auch erhöht eine hohe Wasserstoffkonzentration die Gefahr einer Beschädigung von Leitungen, so dass dann Wasserstoff durch diese Leckagen unkontrolliert entweichen kann (Wasserstoffversprödung). Hydrogen has only a small molar mass and as a result a low volume-related energy density. Due to the small molecular size of hydrogen diffuses relatively well through a variety of materials. Also, a high concentration of hydrogen increases the risk of damaging pipelines so that hydrogen can escape uncontrollably through these leaks (hydrogen embrittlement).

Bei der Wasserstoffverflüssigung hingegen kommt es durch unvermeidbare Isolationsverluste zum Ausgasen. Kann dieser entstehende Wasserstoff nicht genutzt werden, entstehen erhebliche Verluste. In hydrogen liquefaction, by contrast, unavoidable insulation losses lead to outgassing. If this resulting hydrogen can not be used, significant losses occur.

Bei dem Transport und der Speicherung von Wasserstoff ist es daher fast unvermeidlich, dass Wasserstoff entweicht und in die Stratosphäre aufsteigt, wo es dann unter anderem zu einem Abbau von Ozon kommt. Zudem bildet Wasserstoff auch bei der Vermischung mit Sauerstoff über einen weiten Mischungsbereich von 4–77 % ein zündfähiges Gemisch. Ab einem Anteil von 18 % bildet Wasserstoff sogar ein explosives Gemisch (Knallgas). In the transport and storage of hydrogen, it is therefore almost inevitable that hydrogen escapes and rises into the stratosphere, where it then comes to, among other things, a reduction of ozone. In addition, hydrogen forms an ignitable mixture even when mixed with oxygen over a wide mixing range of 4-77%. From a proportion of 18%, hydrogen even forms an explosive mixture (oxyhydrogen gas).

Die Aufgabe der Erfindung besteht also darin, ein Sicherheitssystem in einer Anlage, insbesondere einer Energieerzeugungsanlage zur Verfügung zu stellen, welches die oben genannten Probleme reduziert oder gar verhindert. The object of the invention is thus to provide a safety system in a system, in particular a power generation plant, which reduces or even prevents the abovementioned problems.

Die Aufgabe wird gelöst durch die Angabe eines Sicherheitssystems in einer Anlage, insbesondere einer Energieerzeugungsanlage nach Anspruch 1. The object is achieved by specifying a security system in a system, in particular a power generation system according to claim 1.

Der besondere Vorteil der Erfindung liegt in der lokalen Absorption und Speicherung. Das heißt, dass der durch Diffusion entwichene Wasserstoff nun direkt und unmittelbar am Diffusionsort selber absorbiert wird. Eine lokale Anreicherung von Wasserstoff und die damit verbundenen Nachteile, also die Zündung bei Vermischung mit Sauerstoff oder gar eine Knallgasreaktion können somit vermieden werden. The particular advantage of the invention lies in the local absorption and storage. This means that the hydrogen evolved by diffusion is now absorbed directly and directly at the diffusion site itself. A local enrichment of hydrogen and the associated disadvantages, ie the ignition when mixed with oxygen or even a detonating gas reaction can thus be avoided.

Ein weiterer Vorteil der Erfindung ist deren vielfältige Einsetzbarkeit. Da die Spezialbehälter in ihrem Volumen keinerlei Größe unterliegen, können die Spezialbehälter in sehr kleinen Anlagen mit kleinen Volumen aber auch in sehr großen Anlagen mit großen Volumen eingesetzt werden. Auch kann das Volumen des Spezialbehälters selbstverständlich anhand der zu erwartenden Menge des entweichenden Wasserstoffs gewählt werden. Sind mehrere kleine Spezialbehälter im Einsatz, so ergibt sich daraus auch ein einfaches Austauschen des Spezialbehälters, wenn das wasserstoffabsorbierende Material vollständig gesättigt bzw. beladen ist. Another advantage of the invention is its versatility. Since the special containers are not subject to any size in their volume, the special containers can be used in very small systems with small volumes but also in very large systems with large volumes. Also, the volume of the special container can of course be selected based on the expected amount of escaping hydrogen. If several small special containers in use, it also results in a simple replacement of the special container when the hydrogen-absorbing material is completely saturated or loaded.

Ein weiterer Vorteil der lokalen Anbringungen eines solchen Sicherheitssystems mit einem Bauelement ist, dass durch das lokale Speichern des entweichenden Wasserstoffs eine gezielte Auswahl derjenigen Bauelemente in einer Anlage getroffen werden, bei denen sich ein Entweichen und die damit verbundenen Probleme besonders ungünstig auswirken würde. A further advantage of the local attachments of such a safety system with a component is that the local storage of the escaping hydrogen makes a targeted selection of those components in a system in which an escape and the associated problems would have a particularly unfavorable effect.

Bevorzugt ist die permanente Verbindung als eine Rohrverbindung ausgestaltet. Bevorzugt ist die Rohrverbindung von dem mindestens einen Bauelement zu dem zumindest einen Spezialbehälter dicht. Durch diese Rohrverbindung kann der Wasserstoff mittels natürlicher Konvektion zu dem wasserstoffabsorbierenden Spezialbehälter strömen. Auch ist jedoch eine Art „Absaugen“ vorstellbar, falls eine dichte Rohrverbindung nicht möglich ist. Preferably, the permanent connection is designed as a pipe connection. Preferably, the Pipe connection of the at least one component to the at least one special container tight. Through this pipe connection, the hydrogen can flow by means of natural convection to the hydrogen-absorbing special container. However, a kind of "suction" is conceivable, if a tight pipe connection is not possible.

Bevorzugt ist das zumindest eine Bauelement als Bauelement in einer Hybridenergieerzeugungsanlage einsetzbar. Hier wird gezielt Wasserstoff in großen Mengen produziert, so dass ein Entweichen in größeren Mengen aufgrund der geringen molekularen Masse möglich ist. Preferably, the at least one component can be used as a component in a hybrid power generation plant. Here, hydrogen is produced in large quantities, so that it is possible to escape in larger quantities due to the low molecular mass.

In bevorzugter Ausgestaltung umfasst die wasserstoffabsorbierende Substanz Carbozol und/oder N-Ethylcarbazol. Durch die Anreicherung mit Wasserstoff speichert das Carbozol und/oder N-Ethylcarbazol dessen chemische Energie. Dieses kann nun verlustfrei über große Zeiträume gelagert und mit hoher Energiedichte transportiert und verteilt werden. Das Carbozol und/oder N-Ethylcarbazol verbraucht sich dabei nicht. In a preferred embodiment, the hydrogen-absorbing substance comprises carbozole and / or N-ethylcarbazole. By enrichment with hydrogen stores the carbozole and / or N-ethylcarbazole its chemical energy. This can now be stored without loss over long periods and transported and distributed with high energy density. The carbozole and / or N-ethylcarbazole does not consume.

Weitere Merkmale, Eigenschaften und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung unter Bezugnahme auf die beiliegenden 1–2. Darin zeigen schematisch: Other features, characteristics and advantages of the present invention will become apparent from the following description with reference to the accompanying drawings 1 - 2 , In it show schematically:

1: einen Ausschnitt einer Windkraftanlage mit erfindungsgemäßem Sicherheitssystem, 1 : a detail of a wind turbine with safety system according to the invention,

2: einen wasserstoffgekühlten Generator mit einem erfindungsgemäßen Sicherheitssystem. 2 : a hydrogen-cooled generator with a safety system according to the invention.

Das Ausführungsbeispiel der 1 zeigt einen Ausschnitt einer Windkraftanlage mit einem erfindungsgemäßen Sicherheitssystem. Dabei umfasst die Windkraftanlage mehrere Windräder 10, welche der Stromerzeugung dienen. Ein Teil des Stroms kann direkt in ein Stromnetz (nicht gezeigt) eingespeist werden. Der überflüssige Stromanteil wird in einem Wasserstofferzeuger 20 zur Herstellung von Wasserstoff verwendet. Dieser Wasserstoff strömt durch Rohrleitungen 60 in Wasserstofftanks 30, wo er gespeichert wird. Dabei sind die Wasserstofftanks 30 in einem Schutzgehäuse 31 angeordnet. Anschließend strömt dieser Wasserstoff bei Bedarf durch Rohrleitungen 60 in einen weiteren Tank 40, in dem der Wasserstoff mit Biogas, zumeist Methan gemischt wird. Das Gemisch strömt bei Bedarf durch Rohrleitungen 70 zu einem Blockheizkraftwerk 50, wo er verbrannt wird. Beim Wasserstofftank 30 kann es nun zu einer Verflüchtigung des Wasserstoffs kommen, beispielsweise bei einer Wasserstoffversprödung des Tanks 30 durch die hohe Wasserstoffkonzentration. Dadurch können Leckagen entstehen, die ein unkontrolliertes Entweichen des Wasserstoffs zur Folge haben. Dieser kann dann in das Sicherheitsgehäuse 31 diffundieren und sich beispielsweise in einem oberen Bereich des Sicherheitsgehäuses 31 akkumulieren. Bildet der Wasserstoff bei der Vermischung mit Sauerstoff ein zündfähiges Gemisch, so kann es in der Nähe der Wasserstofftanks 30 zu gefährlichen Zündungen oder gar Explosionen kommen, die die Sicherheit der Windkraftanlage gefährden. Dadurch kann es zu einem Störfall kommen. Aufgrund der geringen molekularen Masse des Wasserstoffs kann es jedoch auch ohne Leckagen zu einer Diffusion des Wasserstoffs kommen. Erfindungsgemäß werden nun beispielsweise im oberen Bereich des Sicherheitsgehäuses 31 eine oder mehrere Rohrverbindungen 1 angebracht, die mit einem oder mehreren wasserstoffabsorbierenden Spezialbehältern 2 verbunden sind. Durch die Rohrverbindungen 1 kann der Wasserstoff hindurch durch natürliche Konvektion zu dem Spezialbehälter 2 strömen. Im Spezialbehälter 2 ist eine Substanz 3 vorgesehen, welche fähig ist, größere Mengen an Wasserstoff zu absorbieren. Der durch Diffusion entwichene Wasserstoff kann nun direkt am Diffusionsort, das heißt lokal, selber absorbiert und gespeichert werden. Eine Akkumulation von Wasserstoff und die damit verbundenen Nachteile werden daher lokal vermieden. Von besonderem Vorteil ist, wenn die wasserstoffabsorbierende Substanz 3 Carbozol oder N-Ethylcarbazol umfasst. Dabei wird das Carbozol in einer chemischen Reaktion mit Energie, hier dem hergestellten Wasserstoff, beladen. Durch die Anreicherung mit Wasserstoff speichert das Carbozol dessen chemische Energie. Dieses kann nun verlustfrei über große Zeiträume gelagert und mit hoher Energiedichte transportiert und verteilt werden. Es kann daher jederzeit bei Bedarf eine energetisch geladene Carbozol umfassende Substanz 3 mit einer energetisch ungeladenen Carbozol umfassenden Substanz 3 getauscht werden. The embodiment of 1 shows a section of a wind turbine with a safety system according to the invention. The wind turbine includes several wind turbines 10 , which serve the power generation. A portion of the power can be fed directly into a power grid (not shown). The superfluous stream share becomes in a hydrogen generator 20 used for the production of hydrogen. This hydrogen flows through pipes 60 in hydrogen tanks 30 where it is stored. Here are the hydrogen tanks 30 in a protective housing 31 arranged. Subsequently, this hydrogen flows through pipes, if necessary 60 in another tank 40 in which the hydrogen is mixed with biogas, mostly methane. The mixture flows through pipes as needed 70 to a combined heat and power plant 50 where he is burned. At the hydrogen tank 30 it can now come to a volatilization of the hydrogen, for example in a hydrogen embrittlement of the tank 30 due to the high hydrogen concentration. This can lead to leaks that result in uncontrolled escape of hydrogen. This can then be in the security case 31 diffuse and, for example, in an upper area of the security housing 31 accumulate. If the hydrogen forms an ignitable mixture when mixed with oxygen, it may be near the hydrogen tanks 30 dangerous ignitions or even explosions that endanger the safety of the wind turbine. This can lead to an accident. Due to the low molecular mass of the hydrogen, however, it can also lead to a diffusion of hydrogen without leaks. According to the invention, for example, now in the upper region of the safety housing 31 one or more pipe connections 1 attached to one or more special hydrogen-absorbing containers 2 are connected. Through the pipe connections 1 The hydrogen can pass through natural convection to the special container 2 stream. In special container 2 is a substance 3 which is capable of absorbing larger amounts of hydrogen. The hydrogen evolved by diffusion can now be absorbed and stored directly at the diffusion site, ie locally. An accumulation of hydrogen and the associated disadvantages are therefore locally avoided. Of particular advantage is when the hydrogen absorbing substance 3 Carbozole or N-ethylcarbazole includes. The carbozole is loaded in a chemical reaction with energy, here the produced hydrogen. By enriching with hydrogen, the carbozole stores its chemical energy. This can now be stored without loss over long periods and transported and distributed with high energy density. It can therefore at any time if necessary, an energetically charged carbozole comprehensive substance 3 with a substance comprising energetically uncharged carbozole 3 it will be exchanged.

Bei Bedarf wird dieser eingelagerte Wasserstoff dann wieder freigesetzt. Das Carbozol verbraucht sich dabei nicht und steht zur erneuten Energieaufnahme bereit. Selbstverständlich können in einer solchen Windkraftanlage auch die Rohrleitungen 60 und der Tank 40 mit einer Sicherheitsumhüllung (nicht gezeigt) versehen werden, an die dann ein erfindungsgemäßes Sicherheitssystem angebracht wird. Somit kann an allen Stellen, an denen Wasserstoff lokal entweicht, dieser aufgefangen und gespeichert werden. Dadurch lässt sich die Gefahr, die von Wasserstoff in einer Energieerzeugungsanlage ausgeht, z.B. Zündung oder Entweichen in die Atmosphäre, zum einen drastisch reduzieren oder gar vermeiden. Zum anderen kann der so aufgefangene Wasserstoff dem ursprünglichen Kreislauf der Energieerzeugung wieder zugeführt werden; er ist daher nicht „verloren“. Das erfindungsgemäße Sicherheitssystem kann selbstverständlich auch auf jede andere Hybridenergieerzeugungsanlage übertragen werden. If required, this stored hydrogen is then released again. The carbozole is not consumed and is ready to re-energy. Of course, in such a wind turbine and the piping 60 and the tank 40 be provided with a security enclosure (not shown), to which then a security system according to the invention is attached. Thus, in all places where hydrogen escapes locally, this can be collected and stored. As a result, the danger that emanates from hydrogen in a power generation plant, such as ignition or escape into the atmosphere, on the one hand drastically reduce or even avoid. On the other hand, the hydrogen thus collected can be returned to the original cycle of energy production; he is therefore not "lost". Of course, the security system according to the invention can also be transferred to any other hybrid power generation plant.

2 zeigt einen wasserstoffgekühlten Generator 80 in einem Generatorgehäuse 81 mit dem erfindungsgemäßen Sicherheitssystem. Hier kann der entweichende Wasserstoff ebenfalls mittels einer Rohrverbindung 1, welche zu einem Spezialbehälter 2, der mit einer wasserstoffabsorbierenden Substanz 3 zumindest teilweise gefüllt ist, natürlich konvertieren. Die wasserstoffabsorbierende Substanz 3 kann nach der vollständigen Beladung mit Wasserstoff einfach ausgetauscht werden. 2 shows a hydrogen-cooled generator 80 in a generator housing 81 with the security system according to the invention. Here, the escaping hydrogen also by means of a pipe connection 1 , which become a special container 2 that with a hydrogen-absorbing substance 3 at least partially filled, of course, convert. The hydrogen-absorbing substance 3 Can be easily replaced after complete loading with hydrogen.

Das erfindungsgemäße Sicherheitssystem findet überall dort Anwendung, wo Wasserstoff unkontrolliert entweicht oder unerwünscht entsteht. Da die Spezialbehälter 2 in ihrem Volumen keinerlei Größen unterliegen, können sie auch bei sehr kleinen Anlagen, z.B. dem Innenraum eines Wasserstoffbusses, zum Einsatz kommen. Auch hier ist ein lokales Abgreifen von Wasserstoff von Vorteil, da hier unter Umständen mehrere kleinere Spezialbehälter 2 notwendig sind. Auch kann durch das lokale Speichern des entweichenden Wasserstoffs eine gezielte Auswahl derjenigen Bauteile in einer Anlage getroffen werden, bei denen sich ein Entweichen und die damit verbundenen Probleme besonders ungünstig auswirken würde. The safety system according to the invention is used wherever hydrogen escapes uncontrollably or arises undesirably. Because the special container 2 In their volume are subject to any size, they can also be used in very small systems, such as the interior of a hydrogen bus, are used. Here, too, a local capture of hydrogen is advantageous, as may several smaller special container 2 necessary. Also, the local storage of the escaping hydrogen, a targeted selection of those components are made in a system in which an escape and the associated problems would have a particularly unfavorable.

Ein Beispiel für eine lokale Speicherung von unerwünscht entstehendem Wasserstoff ergibt sich in Kernkraftwerksanlagen (nicht gezeigt). In Kernkraftwerksanlagen kann es nun zu einer Wasserstoffakkumulation auf verschiedene Arten kommen: einmal durch die Radiolyse, also die Zerlegung von Wasser unter dem Einfluss ionisierter Strahlung sowie durch einen Störfall. Dabei findet die Radiolyse auch bei normalem Betrieb statt, es wird also immer Wasserstoff gebildet. Während des normalen Betriebs und bei Störfällen akkumuliert sich daher Wasserstoff beispielsweise in einem oberen Bereich eines Druckhalters. Hier kann nun beispielsweise am oberen Ende des Druckhalters ein erfindungsgemäßer Spezialbehälter angebracht werden. Auch bei einem Druckhalter-Abblasetank kann die Erfindung angewandt werden. Das erfindungsgemäße Sicherheitssystem reduziert die Gefahr einer Knallgasreaktion, die sogar den Sicherheitsbehälter beschädigen kann, und damit ein Entweichen von Radioaktivität zur Folge haben kann. An example of a local storage of undesirable hydrogen is obtained in nuclear power plants (not shown). Nuclear power plants can now accumulate hydrogen in various ways: once through radiolysis, ie the decomposition of water under the influence of ionized radiation and through an accident. Radiolysis also takes place during normal operation, so hydrogen is always generated. During normal operation and in the event of accidents, therefore, hydrogen accumulates, for example, in an upper region of a pressure holder. Here, for example, at the upper end of the pressure holder, a special container according to the invention can be attached. Also, in a pressure-holder Abblasetank the invention can be applied. The safety system according to the invention reduces the risk of an oxyhydrogen reaction, which can even damage the containment, and thus may result in the escape of radioactivity.

Claims

Safety system in a plant, in particular a power generation plant, comprising at least one component which is distinguished during normal operation of the plant and / or in the event of a malfunction by the release of hydrogen, characterized in that at least one special container ( 2 ) is provided, which at least partially a hydrogen-absorbing substance ( 3 ), wherein the at least one special container ( 2 ) has a permanent connection to the at least one component, wherein the permanent compound absorbs and stores the hydrogen in the substance ( 3 ) he follows.

Safety system in a power generation plant according to claim 1, characterized in that the permanent connection as a pipe connection ( 1 ) is configured.

Safety system in a power generation plant according to claim 2, characterized in that the pipe connection ( 1 ) from the at least one component to the at least one special container ( 2 ) is tight.

Security system in a power plant according to claim 1-3, characterized in that the at least one component is a component of a hybrid power generation plant.

Safety system in a power generation plant according to claims 1-4, characterized in that the hydrogen-absorbing substance ( 3 ) Carbozole and / or N-ethylcarbazole.