DE102013212871A1 - Wärmetechnische Verschaltung von Kraftwerk, Dampfreformer und thermischer Wasseraufbereitung - Google Patents

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Abstract

Beschrieben wird ein Kraftwerk umfassend eine Gasturbine (10), einen Abhitzedampferzeuger (20) und einen Wasserdampfkreislauf (30) sowie einen Dampfreformer (40), wobei die Gasturbine (10) über Abgasleitungen (121, 120) mit dem Abhitzedampferzeuger (20) und dem Dampfreformer (40) verbunden ist, und der Dampfreformer (40) sowie der Abhitzedampferzeuger (20) ausgestaltet sind, Wärme aus dem Turbinenabgas (10) zu entnehmen und wobei das Kraftwerk weiterhin eine thermische Wasseraufbereitungsanlage (50) umfasst.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft Kraftwerke zur Stromerzeugung, insbesondere Verbrennungskraftwerke wie beispielsweise Gas- und Dampfturbinenkraftwerke (GuDs). Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben eines solchen Kraftwerks.
  • Im Bereich der elektrischen Energieerzeugung spielen aktuell und zukünftig besonders energieeffiziente Prozesse die entscheidende Rolle. Dazu sind als besonders vorteilhaft Polygenerationkraftwerkskonzepte bekannt, die eine hohe Produktflexibilität ermöglichen. Bei den Produkten handelt es sich beispielsweise um Strom, Wärme, Kälte oder beispielsweise chemische Produkte. Unter Polygenerationskonzepten versteht man also energietechnische Prozesse, die mehrere Produktströme aufweisen. Als klassisches Beispiel sei die Kraft-Wärme-Kopplung genannt, bei der in einem Kraftwerksprozess Strom und Wärme erzeugt wird. Im Bereich der Polygenerationkraftwerkskonzepte ist beispielsweise auch bekannt die Abwärme eines Gasturbinenkraftwerks oder eines Gas- und Dampfkraftwerks für den Betrieb einer Absorptionskältemaschine und dementsprechend zur Bereitstellung von Kälte zu nutzen, was das Kraftwerk zu einem Polygenerationkraftwerk für Strom, Wärme und Kälte macht.
  • Als konkretes Beispiel für eine Kraft-Wärme-Kopplung sei der bekannte Cheng Cycle genannt, der eine flexible Strom- und Wärmeproduktion gewährleistet. Dabei wird bei erhöhtem Strombedarf die Stromausbeute maximiert und bei erhöhtem Wärmebedarf dementsprechend weniger Strom erzeugt, dafür aber die Wärmeerzeugung erhöht. Innerhalb gewisser Grenzen sind die Quantitäten der Produktströme flexibel und zeitlich variabel.
  • Darüber hinaus sind Polygenerationkonzepte bekannt, die neben Elektrizität, Wärme und Kälte auch chemische Produkte hervorbringen. Derartige Polygenerationkonzepte basieren etwa auf der thermischen Vergasung von Kohle oder Biomasse. Durch die Vergasung wird beispielsweise ein Synthesegas bereitgestellt, dass dann der Verstromungseinheit oder einer chemischen Synthese zugeführt wird. Produkte aus der chemischen Synthese können dann Kohlenwasserstoffe wie beispielsweise Methan, Methanol, Fischer-Tropsch-Treibstoffe oder auch Ammoniak oder Wasserstoff sein. In diesem Fall kann Wärme sowohl vom Vergaser als auch von der Stromerzeugungseinheit sowie auch von der chemischen Synthese bereitgestellt werden.
  • Ein Polygenerationkonzept für die gleichzeitige Bereitstellung von Strom, Wärme, Synthesegas auf Basis von Erdgas und Reinwasser ist bislang noch nicht bekannt. Bisher wird für die Bereitstellung von Synthesegas ein von der Erzeugung von Strom und Wärme getrenntes Verfahren verwendet, welches beispielsweise auf der thermischen Vergasung von Kohle oder Biomasse realisiert wird. Eine Integration der Synthesegasherstellung in einen Kraftwerksprozess birgt bislang das Problem des hohen Wasserbedarfs für den Reformierprozess. Der Wasserbedarf im Dampfreformer ist signifikant. Das benötigte aufbereitete hochreine demineralisierte Wasser muss dafür erst aus chemischen, elektrochemischen oder thermischen Verfahren erzeugt werden.
  • Daher ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein Polygenerationkonzept vorzuschlagen, welches eine energieeffiziente Lösung für die gleichzeitige und flexible Bereitstellung von Strom, Wärme und Synthesegas gewährleistet.
  • Diese der vorliegenden Erfindung zugrundeliegende Aufgabe wird durch ein Kraftwerk gemäß dem Patentanspruch 1 sowie durch ein Verfahren zum Betreiben dieses Kraftwerks gemäß Patentanspruch 9 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
  • Das erfindungsgemäße Kraftwerk umfasst wenigstens eine Verbrennungs- und Stromerzeugungseinrichtung, einen Abhitzedampferzeuger und einen Wasserdampfkreislauf sowie einen Dampfreformer, wobei die Verbrennungs- und Stromerzeugungseinrichtung über eine erste Abgasleitung mit dem Abhitzedampferzeuger und über eine zweite Abgasleitung mit dem Dampfreformer verbunden ist und wobei der Dampfreformer sowie der Abhitzedampferzeuger jeweils ausgestaltet sind, Wärme aus einem Abgas der Verbrennungs- und Stromerzeugungseinrichtung zu entnehmen und wobei das Kraftwerk weiterhin eine thermische Wasseraufbereitungsanlage umfasst. Das Kraftwerk ist typischerweise ein Gas- und Dampfkraftwerk (GUD).
  • Diese Kombination hat den Vorteil, besonders energieeffizient Strom und Wärme, möglicherweise auch Kälte über eine mit der wärmebetriebenen Absorptionskältemaschine, und Synthesegas auf Basis des Energieträgers Erdgas bereitstellen zu können. Im Gegensatz zu bisher häufig verfolgten Polygenerationskonzepten mit mehr als zwei Produktströmen, die auf der thermischen Vergasung von Kohle oder Biomasse beruhen, basiert das vorgestellte Kraftwerk auf Erdgas als Brennstoff und ist vorzugsweise auf die energieeffiziente Bereitstellung von Synthesegas ausgelegt. Denn besonders für den Einsatz eines Dampfreformers zur Herstellung des Synthesegases ist Wasserdampf notwendig, der in dem erfindungsgemäßen Kraftwerk durch die integrierte thermische Wasseraufbereitungsanlage direkt mit zur Verfügung gestellt werden kann.
  • Typischerweise weist das Kraftwerk einen Dampfreformer auf, der über eine dritte Abgasleitung mit der ersten Abgasleitung verbunden ist und bei dem die erste und die zweite Abgasleitung so ausgestaltet sind, dass das Abgas der Verbrennungs- und Stromerzeugungseinrichtung entweder direkt oder durch den Dampfreformer und die daran anschließende dritte Abgasleitung an den Abhitzedampferzeuger geleitet werden kann. Insbesondere weisen die Abgasleitungen dazu wenigstens ein Ventil auf. Diese Verschaltung der Abgasleitungen mit wenigstens einem Ventil zur Umleitung des heißen Abgases, beispielsweise des Turbinenabgases der Verbrennungs- und Stromerzeugungseinrichtung, hat den Vorteil, dass zwischen zwei Betriebseinstellungen unterschieden werden kann. Das heiße Abgas hat etwa eine Temperatur zwischen 350°C und 750°C. In einer ersten Betriebseinstellung, in der das Abgas direkt an den Abhitzedampferzeuger geleitet wird, ist sozusagen nur das Gas- und Dampfkraftwerk in Betrieb und es wird eine maximale Stromausbeute erreicht. In einer zweiten Betriebseinstellung, in der das Abgas ganz oder teilweise zuerst durch den Dampfreformer und die dritte Abgasleitung an den Abhitzedampferzeuger geleitet wird, kann die Wärme des Abgases im Dampfreformer für die Erzeugung des Synthesegases genutzt werden. Die geringere Wärmemenge, die dadurch dem Abhitzedampferzeuger zur Verfügung steht, bedeutet eine Absenkung der Stromerzeugung bei aber gleichzeitig erhöhter Produktausbeute aus dem Dampfreformer.
  • Das energieeffiziente Polygenerationskonzept wird also durch die Integration des Dampfreformers in den konventionellen GUD-Prozess erreicht. Das heiße Abgas der Gasturbine kann in den Reformer geführt werden, wenn entsprechende Ventilstellungen die Umleitung über den Reformer vorgeben. Im Reformer wird dem Abgas Wärme entnommen und dieses dadurch zum Teil abgekühlt. Mittels der entnommenen Wärme wird im Reformer die endotherme Reformierreaktion angetrieben: CH4 + H2O → CO + 3H2.
  • Im Reformer entsteht das Synthesegas. Die Reaktion wird typischerweise an einem Festbettkatalysator durchgeführt. Durch eine bspw. unvollständige Umsetzung und weitere Nebenprodukte entsteht ein Gasgemisch, das hauptsächlich folgende Komponenten enthält: H2, CO, CO2, H2O, CH4, N2. Durch die Zufuhr von Abgas der Gasturbine kann der Reformer beispielsweise bei einer Temperatur zwischen 350°C und 750°C betrieben werden. Beispielsweise ist eine weitere Temperaturerhöhung oder eine zusätzliche Wärmezufuhr durch eine elektrische Beheizung oder eine Zufeuerung mit Erdgas möglich. Die Edukte Erdgas und Wasserdampf werden dabei typischerweise dem Reformer bei einem Druck von 20 bar bis 80 bar, beispielsweise zwischen 50 bar und 80 bar zugeführt, sodass ein Synthesegas erzeugt werden kann, das auf dem gleichen Druckniveau liegt.
  • Vorzugsweise ist das Kraftwerk so ausgestaltet, dass die thermische Wasseraufbereitungsanlage thermisch an den Abhitzedampferzeuger angekoppelt ist, welcher ausgestaltet ist vom Abgas der Verbrennungs- und Stromerzeugungseinrichtung durchströmt zu werden und einen Teil der dem Abgas entnommenen Wärme der Wasseraufbereitungsanlage zur Verfügung zu stellen. Dies hat den Vorteil, dass die thermische Wasseraufbereitungsanlage direkt mit Wärme aus dem Kraftwerk versorgt werden kann und nicht auf eine externe Wärmequelle zugreifen muss.
  • Das Kraftwerk ist vorzugsweise zusätzlich mit einer Reinwasserleitung ausgestattet, welche die thermische Wasseraufbereitungsanlage mit dem Wasserdampfkreislauf verbindet. So kann vorteilhafterweise das aufbereitete Wasser aus der thermischen Wasseraufbereitungsanlage direkt dem Wasserdampfkreislauf zugeführt werden.
  • Beispielsweise umfasst das Kraftwerk einen Wasserspeicher, wobei die Reinwasserleitung der thermischen Wasseraufbereitungsanlage ausgestaltet ist, diesen Wasserspeicher zu speisen. Dies hat den Vorteil, dass für Betriebsmodi in denen wenig oder kein Wasser an den Wasserdampfkreislauf weitergeleitet werden muss, beziehungsweise der Dampfreformer nicht betrieben wird und somit kein Wasserdampf benötigt wird, die thermische Wasseraufbereitungsanlage in konstantem Betrieb weiterlaufen kann und den Wasserspeicher als Puffer befüllt.
  • Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung umfasst das Kraftwerk eine fluidtechnische Verbindung zwischen dem Wasserdampfkreislauf und dem Dampfreformer. Denn so kann der Dampfreformer, der Wasserdampf für die Reformierreaktion benötigt, direkt mit Wasserdampf aus dem Wasserdampfkreislauf, der von der thermischen Wasseraufbereitungsanlage mit Reinwasser versorgt wird, versorgt werden.
  • Wird dem Reformer beispielsweise der Wasserdampf aus dem Wasserdampfkreislauf zugeführt, entsteht am Reformereingang ein Erdgaswasserdampfgemisch. Beispielsweise kann die Zufuhrleitung für das Erdgaswasserdampfgemisch auch wärmetechnisch mit der Abfuhrleitung für das Produkt- oder Synthesegasgemisch verbunden werden, sodass die Zu- und Ableitungen am Reformer über einen Wärmeübertrager gekoppelt werden.
  • Nach der Nutzung der Wärme des Gasturbinenabgases im Reformer ist dieses beispielsweise auf ein Temperaturniveau zwischen 350°C und 600°C abgekühlt und wird danach dem Abhitzedampferzeuger zugeführt. Im Abhitzedampferzeuger wird dem Abgas weitere Wärme entzogen und dadurch Dampf erzeugt, der im Wasserdampfkreislauf beispielsweise über eine Dampfturbinenanordnung zu Strom konvertiert wird. Ein Teil des erzeugten Dampfes wird vorzugsweise dem Reformer zur Verfügung gestellt. Die Entnahme des Dampfes aus dem Wasserdampfkreislauf muss dann durch die Zufuhr von demineralisiertem Wasser wieder ausgeglichen werden, welches erfindungsgemäß durch die thermische Wasseraufbereitungsanlage zur Verfügung gestellt wird. Das Wasser für den Wasserdampfkreislauf muss von sehr hoher Qualität sein, wie es die vorgeschlagene thermische Wasseraufbereitungsanlage gewährleistet. Nach Entnahme der Wärme für den Wasserdampfkreislauf aus dem Abhitzedampferzeuger hat das Turbinenabgas ein Temperaturniveau zwischen 70°C und 90°C. Je nach Anwendungsfall, das heißt je nach Betriebsmodus, kann diese Temperatur aber auch deutlich höher liegen. Die 70°C bis 90°C sind auf jeden Fall ausreichend um die vorgeschlagene thermische Wasseraufbereitungsanlage noch mit genügend Wärme zu versorgen. Beispielsweise kann die thermische Wasseraufbereitungsanlage nach dem Evaporation-Condensation-Konzept betrieben werden, welches aus der Anmeldung DE 10 2013 20 802.6 bekannt ist. Nach diesem Konzept wird Wasser durch die Abwärme des Gases kontinuierlich verdunstet und anschließend kondensiert. Die im Wasser vorhandenen Schmutzstoffe gehen dabei nicht in die Gasphase über und bleiben im Schmutzwasser zurück. Das so erzeugte Produktwasser liegt demnach in demineralisierter Form vor und kann so direkt dem Wasserdampfkreislauf zugeführt werden. Beispielsweise werden vorteilhafte kleinere Anpassungen des Produktwassers zum Beispiel bezüglich dessen pH-Wertes vorgenommen, bevor es im Wasserdampfkreislauf verwendet wird. Als Rohwasser sind verschiedene Einsatzstoffe möglich, die teilweise auch stark verschmutzt sein können, wie beispielsweise Abwässer oder Flusswasser.
  • Die Verwendung der thermischen Wasseraufbereitungsanlage in dem Kraftwerkskonzept hat den Vorteil, die zur Verfügung stehende Abwärme so zu verwenden, dass der Energiebedarf der Wasseraufbereitung minimiert wird. Besonders gegenüber bisher betriebenen Wasseraufbereitungsanlagen nach dem Konzept der Umkehrosmose, bei denen ein erhöhter Strombedarf vorliegt, bedeutet die eingesetzte thermische Wasseraufbereitungsanlage ein besonders energieeffizientes Konzept.
  • Nach der Nutzung der Restwärme des Turbinenabgases bei 70°C bis 90°C ist dieses auf ein weiteres Temperaturniveau zwischen 40°C und 80°C abgekühlt und wird mit dieser Temperatur vorzugsweise an die Umgebung abgegeben.
  • Das Kraftwerk umfasst vorzugsweise weiterhin eine Zuleitung und eine Ableitung zum und vom Dampfreformer, wobei die Ableitung mit wenigstens einer Weiterverarbeitungseinheit für Synthesegas verbunden ist. Dies hat den Vorteil, das Polygenerationkraftwerk bezüglich seiner Produktflexibilität und Produktauswahl besonders vorteilhaft zu erweitern.
  • Insbesondere weist das Kraftwerk eine Ableitung des Dampfreformers für das Synthesegas auf, welche mit wenigstens einem Synthesegasspeicher verbunden ist. Dieser erlaubt die Zwischenspeicherung des Synthesegases vor dessen Weiterverarbeitung.
  • Weiterhin umfasst das Kraftwerk beispielsweise einen Produktespeicher und/oder eine Verbrennungs- und Stromerzeugungseinrichtung für die Erzeugung von Spitzenlaststrom. Diese kann beispielsweise auf den Produktespeicher oder den Synthesegasspeicher zugreifen.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren zum Betreiben eines Kraftwerks umfasst folgende Verfahrensschritte:
    Zunächst das Betreiben einer Verbrennungs- und Stromerzeugungseinrichtung, dann das Bereitstellen eines Abhitzedampferzeugers, eines Wasserdampfkreislaufes sowie eines Dampfreformers, des Weiteren das Leiten des Abgases der Verbrennungs- und Stromerzeugungseinrichtung zum Abhitzedampferzeuger, das Bereitstellen einer thermischen Wasseraufbereitungsanlage und deren thermische Ankopplung an den Abhitzedampferzeuger sowie das Versorgen der thermischen Wasseraufbereitungsanlage mit Wärme aus dem Abgas mittels des Abhitzedampferzeugers. Dieses Verfahren hat also den Vorteil, dass eine thermische Wasseraufbereitungsanlage direkt über die Abwärme des Kraftwerks betrieben werden kann und gleichzeitig deren aufbereitetes Wasser einem Wasserdampfkreislauf sowie einem Dampfreformer zur Verfügung gestellt werden können.
  • Insbesondere erfolgt bei dem Verfahren das Zuleiten des Abgases zum Abhitzedampferzeuger in einem ersten Betriebsmodus direkt und in einem zweiten Betriebsmodus zuerst durch den Dampfreformer und danach weiter zum Abhitzedampferzeuger. Die Möglichkeit zwischen diesen beiden Modi zu wählen hat den Vorteil, dass dieses Betriebsverfahren eines Polygenerationkraftwerks eine hohe zeitliche Produktflexibilität erlaubt. Strom wird beispielsweise durch die Gasturbinen und/oder durch die Dampfturbinenanordnung im Wasserdampfkreislauf bereitgestellt. Eine Wärmeauskopplung kann beispielsweise aus dem Wasserdampfkreislauf erfolgen oder auch aus später angeordneten Synthesegasreaktoren.
  • Beispielsweise wird bei dem Verfahren die thermische Wasseraufbereitungsanlage über eine Reinwasserleitung mit dem Wasserdampfkreislauf verbunden und dieser mit dem aufbereiteten Wasser gespeist.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens wird von der thermischen Wasseraufbereitungsanlage ein Wasserspeicher gespeist. Von diesem kann sehr vorteilhaft je nach Bedarf Wasser abgezogen werden.
  • In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform des Verfahrens wird der Dampfreformer mit Wasserdampf aus dem Wasserdampfkreislauf versorgt. Dazu wird eine fluidtechnische Verbindung zwischen dem Wasserdampfkreislauf und dem Dampfreformer bereitgestellt und typischerweise ein Teil des Wasserdampfes der Dampfturbinenanordnung zur Stromerzeugung entzogen.
  • Typischerweise wird in dem Verfahren im Dampfreformer ein Synthesegas hergestellt und dieses anschließend an einen Synthesegasspeicher oder zur Weiterverarbeitung an einen Reaktor oder Aufbereiter weitergeleitet. Insbesondere wird das Synthesegas einer zweiten Verbrennungs- und Stromerzeugungseinrichtung zugeführt, mittels derer kurzzeitig Strom erzeugt werden kann z.B. zur elektrischen Abfederung einer Spitzenlast. Das Synthesegas kann beispielsweise gespeichert, gleich weiterverarbeitet oder auch auf mehrere verschiedene Reaktoren oder Aufbereiter verteilt werden. Mögliche Endprodukte des Synthesegaspfades sind beispielsweise Ammoniak, Fischer-Tropsch-Treibstoff, Methanol, Methan oder Wasserstoff. Diese Endprodukte können beispielsweise einem Endproduktespeicher zugeführt werden oder direkt einer Weiterverarbeitung. Der Speicher ermöglicht etwa eine zeitversetzte Produktion der Endprodukte sowie auch die Möglichkeit diese einer zusätzlichen Stromerzeugung über eine zweite Stromerzeugungseinheit zuzuführen, wenn ein Spitzenlaststrom benötigt wird. Diese zweite Stromerzeugungseinheit kann beispielsweise ein Motor, eine Brennstoffzelle oder eine Gasturbine sein.
  • Der größte Vorteil der beschriebenen Kraftwerksanordnung und des Verfahrens zu deren Betrieb ist die zeitliche Flexibilität. Wird beispielsweise in einem ersten Szenario der Dampfreformer nicht betrieben, wird also das Turbinenabgas direkt an den Abhitzedampferzeuger geleitet, kann Strom und Wärme über die Gasturbine und den Wasserdampfkreislauf erzeugt werden. Das Verhältnis von Strom zu Wärmemenge wird dabei beispielsweise durch die Wärmeauskopplung aus dem Wasserdampfkreislauf bestimmt.
  • In einem zweiten Szenario kann der Dampfreformer betrieben werden und es wird damit ein Synthesegas und eventuell daraus folgende Endprodukte erzeugt. In diesem zweiten Szenario sinkt die Strom- und Wärmeerzeugung entsprechend ab, da im Wasserdampfkreislauf weniger Wärme zur Verfügung steht und ein Teil des Wasserdampfes für den Reformer benötigt wird und dementsprechend zum Reformer abgezweigt wird.
  • In einem dritten Szenario beispielsweise können die optionalen Speicher für das Synthesegas oder für die Produkte genutzt werden um der zweiten Stromerzeugungseinheit Brennstoff zuzuführen. Mittels dieser zweiten Stromerzeugungseinheit und den in den Speichern zur Verfügung stehenden Brennstoffen kann beispielsweise ein Spitzenlaststrom erzeugt werden. Die Stromerzeugung läge dann über der nominalen Volllast des Kraftwerkes, ohne dass der Erdgasverbrauch an der ersten Stromerzeugungseinheit steigt.
  • In einem vierten Szenario etwa kann die Spitzenlasterzeugung wieder abgestellt werden und die Speicher für das Synthesegas und die Endprodukte werden wieder befüllt. In allen Szenarien fällt nach dem Abhitzedampferzeuger Abwärme an, die für die thermische Wasseraufbereitung genutzt werden kann. Somit kann die Reinwassererzeugung in allen Szenarien kontinuierlich erfolgen. Der schwankende Bedarf an Reinwasser für die Reformierung kann beispielsweise über einen Reinwasserspeicher ausgeglichen werden. Auch die der Gasturbine zugeführte Erdgasmenge ist in allen Szenarien vorzugsweise konstant, sodass die Gasturbine kontinuierlich bei Volllast betrieben werden kann.
  • Das beschriebene Kraftwerk und Verfahren zum Betreiben des Kraftwerks hat nun unter anderem den Vorteil besonders energieeffizient neben Strom und Wärme auch Synthesegas auf Basis von Erdgas zu erzeugen. Die besonders hohe Energieeffizienz wird durch die thermische Integration eines Gasturbinenkraftwerks mit einem Reformer und einer thermischen Wasseraufbereitungsanlage gewährleistet. Dadurch ist die Nutzung der Abwärme des Gasturbinenabgases bis zu einem sehr tiefen Temperaturniveau möglich. Die Erzeugung von verschiedensten Endprodukten aus dem Synthesegas ist sehr flexibel besonders bezüglich des zeitlich unterschiedlichen Bedarfs. Das beschriebene Kraftwerk ermöglicht eine lange Betriebszeit der Gasturbine, da die Flexibilität durch die nachgeschalteten Prozesse erreicht wird und die Gasturbine bei konstanter Last betrieben werden kann. Zudem ist es möglich ohne tiefgreifende Umbauten bestehende Gas- und Dampfkraftwerke gemäß der Erfindung nachzurüsten.
  • Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden in exemplarischer Weise mit Bezug auf die 1 bis 3 der angehängten Zeichnung beschrieben:
  • 1 zeigt ein schematisches Fließdiagramm für ein Kraftwerk mit thermischer Wasseraufbereitungsanlage,
  • 2 zeigt ein schematisches Fließdiagramm für mögliche Weiterverarbeitungsvorrichtungen für das Synthesegas und
  • 3 zeigt ein Diagramm in dem die Produkterzeugung über der Zeit aufgetragen ist.
  • In der 1 ist links beginnend zunächst eine Gasturbine 10 mit einem Generator 11, einem Verdichter 12, einer Turbine 13 und einer Brennkammer 14 gezeigt. In dieser Gasturbine 10 wird beispielsweise Erdgas verbrannt, damit eine Turbine 13 und darüber der Generator 11 angetrieben werden können, sodass durch den Generator 11 elektrische Energie Eel G erzeugt wird, die von der Gasturbine 10 zur Verfügung gestellt wird. Die Gasturbine 10 ist mit einer Abfuhrleitung 120 für das heiße Abgas der Gasturbine 10 verbunden. Diese Abfuhrleitung 120 führt in dem Fließdiagramm zu einer Abzweigung entweder zum Ventil V1 oder zu einem zweiten Ventil V2. Je nach Ventilstellung der Ventile V1, V2 wird das heiße Abgas entweder über die Zuleitung 121 zum Abhitzedampferzeuger 20 geleitet oder über das Ventil V2 in den Reformer 40, der eine Reaktionskammer für eine Reformierreaktion aufweist. Der Reformer 40 weist des Weiteren einen Erdgaseinlass 41 und einen Synthesegasauslass 42 auf. Das zuführbare heiße Abgas der Gasturbine 10 kann im Reformer 40 über einen Wärmetauscher einen Teil seiner Wärme für die Reformierreaktion abgeben.
  • Über eine Abfuhrleitung 43 kann dann das erstmals auf ein mittleres Temperaturniveau abgekühlte Abgas der Gasturbine 10 auch wieder der Zuleitung 121 zum Abhitzedampferzeuger 20 zugeführt werden. Der Reformer 40 weist außerdem eine Zufuhr für Wasserdampf auf 31, welche wie in diesem Beispiel gezeigt, eine Abzweigung von der Dampfturbine des Wasserkreislaufes 30 ist.
  • Zentral im Fließdiagramm ist der Abhitzedampferzeuger 20 eingezeichnet, in dem das Abgas der Gasturbine über zwei weitere Wärmetauschersysteme 21, 22 geleitet wird und auf ein weiteres niedrigeres Temperaturniveau abgekühlt aus dem Abhitzedampferzeuger 20 abgeleitet wird 23. Ein erstes Wärmetauschersystem 21 im Abhitzedampferzeuger 20 nutzt die an dieser Stelle noch vorhandene Temperatur zur Dampferzeugung im Wasserdampfkreislauf 30. Dieser ist dafür mit dem Wärmetauscher 21 verbunden und enthält eine Dampfturbinenanordnung. Von diesem Wasserdampfkreislauf 30 ist also wieder elektrische Energie von der Dampfturbine Eel D erhältlich, sowie eine Wärmeauskopplung Q möglich. Der Wasserdampfkreislauf 30 wird mit demineralisiertem Wasser aus einer Wasserzufuhrleitung 32 gespeist. Ein Teil des Wasserdampfes wird abgezweigt und über eine Wasserdampfleitung 31 dem Dampfreformer 40 zugeführt.
  • Der Abhitzedampferzeuger 20 weist noch ein weiteres Wärmetauschersystem 22 auf, das wiederum ein niedrigeres Temperaturniveau des Turbinenabgases nutzt und die Wärme aus diesem Abgas an die thermische Wasseraufbereitungsanlage 50 abgibt. Die thermische Wasseraufbereitungsanlage 50 weist eine Rohwasserzufuhrleitung 51 und eine Abfuhrleitung 52 für demineralisiertes Wasser, also Reinwasser auf. Beispielsweise, wie hier dargestellt, kann die Abfuhrleitung 52 zunächst einen Wasserspeicher 53 speisen, der über eine weitere Wasserleitung 32 mit dem Wasserdampfkreislauf 30 verbunden ist.
  • In der 2 ist ein weiteres Fließdiagramm dargestellt, welches an das Kraftwerk mit thermischer Wasseraufbereitungsanlage 50 aus 1 über den Dampfreformer 40 anknüpft. Dieser Dampfreformer 40 mit seiner Erdgaszuleitung 41 und Synthesegasableitung 42 ist in der 2 nochmals auf der rechten Seite gezeigt. Die Synthesegasableitung 42 führt zunächst zu einem Synthesegasspeicher 44. Alternativ könnte dieser Speicher auch eingespart werden und das Synthesegas direkt auf die Synthesegasreaktoren 60 verteilt werden. Der optionale Synthesegasspeicher 44 ist jedoch von Vorteil für den Ausgleich von Spitzenlastzeiten.
  • Der Synthesegasspeicher 44 kann mit mehreren Synthesegasreaktoren 60 verbunden werden. In diesem Beispiel wird das Synthesegas aufgeteilt auf einen ersten Synthesegasreaktor 61 für die Herstellung von Ammoniak, auf einen zweiten Synthesegasreaktor 62 für die Herstellung von Fischer-Tropsch-Treibstoff, auf einen dritten Synthesegasreaktor 63 für die Herstellung von Methanol und auf einen vierten Synthesegasreaktor 64 für die Herstellung von Methan. Des Weiteren wird Synthesegas einer CO_Shift-Reaktionskammer 65 zugeleitet, nach der es in einen Aufbereiter 66 für die Abtrennung von Wasserstoff gelangt. Die Reaktoren 61, 62, 63, 64 sind jeweils ausgestaltet, dass die bei den Reaktionen entstehende Wärme Q61–Q64 von den Reaktoren 60 gezielt ausgekoppelt werden kann. Beispielsweise können die so hergestellten Produkte aus dem Synthesegas noch einem Produktespeicher 70 zugeführt werden. Dazu sind in der 2 mehrere Zuleitungen von den Reaktoren 60 zum Produktespeicher 70 gezeigt. Die verschiedenen Synthesegasreaktoren 60 sind hier nur schematisch gezeichnet und es wurde auf die Darstellung von Hilfs- und Nebenströmen verzichtet. Zusätzlich ist noch eine weitere Stromerzeugungseinheit 700 gezeigt, die dafür da ist, Spitzenlaststrom zu erzeugen, d.h. in Zeiten erhöhten Strombedarfs zusätzlich zum Strom aus Gas- und Dampfturbine elektrische Energie zur Verfügung zu stellen, beispielsweise aus der Verbrennung von Synthesegas Sy oder aus der Verbrennung eines der Synthesegasprodukte 71–75.
  • Die 3 schließlich zeigt noch die zeitliche Produktflexibilität der erfindungsgemäßen Konstellation von Kraftwerk mit thermischer Wasseraufbereitungsanlage 50. Dazu ist in dem Diagramm in 3 die Produkterzeugung PG über der Zeit t aufgetragen. Die Reinwassererzeugung von H2O ist dabei konstant über alle Zeiten t1 bis t4, da kontinuierlich Abwärme am Abhitzedampferzeuger zur Wasseraufbereitung anfällt. Die Synthesegaserzeugung Sy ist im Zeitintervall t1 noch ausgesetzt, d.h. der Reformer 40 wird im Zeitintervall t1 noch nicht mit heißem Abgas der Gasturbine 10 gespeist, sondern erst ab Zeitintervall t2. Im Zeitintervall t1 steht also das heiße Abgas der Gasturbine 10 mit seinem höchstmöglichen Temperaturniveau der Stromerzeugung zur Verfügung. Somit wird im Zeitintervall t1 elektrische Energie und Wärme (Eel + Q) GUD / VL im Volllastbetrieb des Gas- und Dampfturbinenkraftwerks erzeugt. Im Zeitintervall t2 wird dann das heiße Abgas der Gasturbine 10 zunächst dem Dampfreformer 40 zur Verfügung gestellt, womit die Synthesegas Sy-Produktion ansteigt, die Erzeugung elektrischer Energie Eel und nutzbarer Wärme Q jedoch leicht absinkt. Im Zeitintervall t3 ist gezeigt, dass mit Hilfe des zusätzlichen Stromerzeugers 700 ein Spitzenbedarf über der Volllastproduktgeneration gedeckt werden kann. Im Zeitintervall t4 sinkt die Erzeugung elektrischer Energie und nutzbarer Wärme wieder auf das mittlere Niveau ab.
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  • Zitierte Patentliteratur
    • DE 10201320802 [0018]

Claims (15)

  1. Kraftwerk umfassend wenigstens – eine Verbrennungs- und Stromerzeugungseinrichtung (10), – einen Abhitzedampferzeuger (20) und einen Wasserdampfkreislauf (30) sowie – einen Dampfreformer (40), wobei die Verbrennungs- und Stromerzeugungseinrichtung (10) über eine erste Abgasleitung (121) mit dem Abhitzedampferzeuger (20) und über eine zweite Abgasleitung (121) mit dem Dampfreformer (40) verbunden ist, und wobei der Dampfreformer (40) sowie der Abhitzedampferzeuger (20) jeweils ausgestaltet sind, Wärme aus einem Abgas der Verbrennungs- und Stromerzeugungseinrichtung (10) zu entnehmen und wobei das Kraftwerk weiterhin eine thermische Wasseraufbereitungsanlage (50) umfasst.
  2. Kraftwerk nach Anspruch 1, wobei der Dampfreformer (40) über eine dritte Abgasleitung (43) mit der ersten Abgasleitung (121) verbunden ist und wobei die erste und die zweite Abgasleitung (120, 121) ausgestaltet sind, das Abgas der Verbrennungs- und Stromerzeugungseinrichtung (10) entweder direkt oder durch den Dampfreformer (40) und die dritte Abgasleitung (43) an den Abhitzedampferzeuger (20) zu leiten.
  3. Kraftwerk nach Anspruch 1 oder 2, wobei die thermische Wasseraufbereitungsanlage (50) thermisch an den Abhitzedampferzeuger (20) angekoppelt ist, welcher ausgestaltet ist vom Abgas der Verbrennungs- und Stromerzeugungseinrichtung (10) durchströmt zu werden und einen Teil der dem Abgas entnommenen Wärme der Wasseraufbereitungsanlage (50) zur Verfügung zu stellen.
  4. Kraftwerk nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die thermische Wasseraufbereitungsanlage (50) eine Reinwasserleitung (52, 32) aufweist, die mit dem Wasserdampfkreislauf (30) verbunden ist.
  5. Kraftwerk nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Reinwasserleitung (52, 32) der thermischen Wasseraufbereitungsanlage (50) einen Wasserspeicher (53) umfasst.
  6. Kraftwerk nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der Wasserdampfkreislauf (30) eine fluidtechnische Verbindung (31) mit dem Dampfreformer (40) aufweist.
  7. Kraftwerk nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der Dampfreformer eine Zuleitung (41) und eine Ableitung (42) aufweist, wobei die Ableitung (42) mit wenigstens einer Weiterverarbeitungseinheit (60) für Synthesegas verbunden ist.
  8. Kraftwerk nach Anspruch 7, wobei die Ableitung (42) wenigstens einen Synthesegasspeicher (44) umfasst.
  9. Verfahren zum Betreiben eines Kraftwerks, insbesondere eines Kraftwerks nach einem der vorstehenden Ansprüche, folgende Verfahrensschritte umfassend: – Betreiben einer Verbrennungs- und Stromerzeugungseinrichtung (10), – Bereitstellen eines Abhitzedampferzeugers (20), eines Wasserdampfkreislaufes (30) sowie eines Dampfreformers (40), – Leiten des Abgases der Verbrennungs- und Stromerzeugungseinrichtung (10) zum Abhitzedampferzeuger (20), – Bereitstellen einer thermischen Wasseraufbereitungsanlage (50) und thermische Ankopplung dieser an den Abhitzedampferzeuger (20) und – Versorgen der thermischen Wasseraufbereitungsanlage (50) mit Wärme aus dem Abgas mittels des Abhitzedampferzeugers (20).
  10. Verfahren nach Anspruch 9, bei dem das Zuleiten des Abgases zum Abhitzedampferzeuger (20) in einem ersten Modus direkt und in einem zweiten Modus zuerst durch den Dampfreformer (40) und danach weiter zum Abhitzedampferzeuger (20) erfolgt.
  11. Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, bei dem die thermische Wasseraufbereitungsanlage (50) über eine Reinwasserleitung (52, 32) mit dem Wasserdampfkreislauf (30) verbunden wird und dieser mit aufbereitetem Wasser gespeist wird.
  12. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 11, bei dem die thermische Wasseraufbereitungsanlage (50) einen Wasserspeicher (53) speist.
  13. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 12, bei dem der Dampfreformer (40) mit Wasserdampf aus dem Wasserdampfkreislauf (30) versorgt wird.
  14. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 13, bei dem im Dampfreformer (40) ein Synthesegas hergestellt wird, und dieses anschließend an einen Synthesegasspeicher (44) oder zur Weiterverarbeitung an einen Reaktor (60) oder Aufbereiter (66) weitergeleitet wird.
  15. Verfahren nach Anspruch 14, bei dem das Synthesegas einer zweiten Verbrennungs- und Stromerzeugungseinrichtung (700) zugeführt wird und mittels derer kurzzeitig Strom (Eel) erzeugt wird, zur elektrischen Abfederung einer Spitzenlast.
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