DE102014119686A1 - Druckspeicherkraftwerk mit kombiniertem, rekuperativem Abhitzedampferzeuger - Google Patents

Druckspeicherkraftwerk mit kombiniertem, rekuperativem Abhitzedampferzeuger Download PDF

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Hartmut Spliethoff
Steffen Kahlert
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Abstract

Die Beschreibung umfasst ein Verfahren zur Erzeugung elektrischer Energie, umfassend: ein Dampfkraftwerk 21 für einen Prozess zur Erzeugung der elektrischen Energie umfassend: einen ersten Wärmeübertrager 4, 31 zur Vorheizung, und/oder zur Verdampfung und/oder zur Überhitzung eines ersten Fluids, eine erste Turbine 1 zur Entspannung des ersten Fluids mit einem Generator G, einem Kondensator 2 und eine Pumpe und ein Druckspeicherkraftwerk 30 zum Erzeugen von elektrischer Energie umfassend: einen ersten Kompressor zur Verdichtung eines zweiten Fluids, einen Druckspeicher zur Speicherung des zweiten Fluids, eine zweite Turbine 14 zum Antrieb eines Generators G zur Erzeugung der elektrischen Energie und Bereitstellung eines heißen dritten Fluids, eine Brennkammer 16 zur Versorgung der zweiten Turbine 14 mit Wärmenergie und einen zweiten Wärmeübertrager 17, 31 zur Abkühlung und/oder Erhitzung des zweiten Fluids, wobei sowohl beim Einspeichern, wie auch beim Ausspeichern Wärme aus dem zweiten und/oder dem dritten Fluid über den ersten Wärmeübertrager 4, 31 an das erste Fluid übertragen wird.

Description

  • GEBIET DER ERFINDUNG
  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Anlage zur Erzeugung elektrischer Energie.
  • HINTERGRUND DER ERFINDUNG
  • Im Stand der Technik sind Gas- und Dampfkraftwerke bekannt, bei denen die Prinzipien eines Gasturbinenkraftwerkes und eines Dampfkraftwerkes kombiniert werden. Hierbei wird eine Gasturbine als Wärmequelle für einen Abhitzekessel genutzt, der wiederum zur Dampferzeugung für die Dampfturbine eingesetzt wird. Derartige Kombikraftwerke zeichnen sich durch einen hohen Wirkungsgrad aus. Außerdem sind Druckluftspeicherkraftwerke bekannt, bei denen Luft komprimiert eingespeichert wird und beim Ausspeichern der Luft Energie erzeugt wird.
  • ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
  • Aufgrund der hohen Einspeisung nahezu ungeregelter erneuerbarer Energien wie Wind und Solarstrom ist das deutsche Energiesystem derzeit an seine Grenzen angelangt. Die Folgen sind eine geringe Auslastung der konventionellen Kraftwerke und eine hohe Belastung der Übertragungsnetze. Flexible und effiziente Gas- und Dampfkraftwerke (GuD) sind derzeit aufgrund geringer Einsatzzeiten und niedriger Strompreise nicht wirtschaftlich. Es werden daher unwirtschaftliche Kraftwerke subventioniert und in Bereitschaft gehalten, da es an wirtschaftlichen und effizienten Speicheroptionen für den erneuerbaren Strom fehlt. Batteriespeicher sind sehr teuer und Pumpspeicherkraftwerke sind in ihrem Ausbaupotential stark begrenzt. Speicherwirkungsgrade anderer Optionen sind derzeit noch gering und die Investitionskosten ebenfalls hoch.
  • Eine Aufgabe ist daher, ein Kraftwerk zur Verfügung zu stellen, das eine effiziente Stromerzeugung und die Möglichkeit der effizienten Energieeinspeicherung kombiniert.
  • Als erste Ausführungsform der Erfindung wird ein Verfahren zur Erzeugung elektrischer Energie zur Verfügung gestellt, umfassend: ein Dampfkraftwerk für einen Prozess zur Erzeugung der elektrischen Energie umfassend: einen ersten Wärmeübertrager zur Vorheizung, und/oder zur Verdampfung und/oder zur Überhitzung eines ersten Fluids, eine erste Turbine zur Entspannung des ersten Fluids mit einem Generator, einem Kondensator und eine Pumpe und ein Druckspeicherkraftwerk zum Erzeugen von elektrischer Energie umfassend: einen ersten Kompressor zur Verdichtung eines zweiten Fluids, einen Druckspeicher zur Speicherung des zweiten Fluids, eine zweite Turbine zum Antrieb eines Generators zur Erzeugung der elektrischen Energie und Bereitstellung eines heißen dritten Fluids, eine Brennkammer zur Versorgung der zweiten Turbine mit Wärmenergie und einen zweiten Wärmeübertrager zur Abkühlung und/oder Erhitzung des zweiten Fluids, wobei sowohl beim Einspeichern als auch beim Ausspeichern Wärme aus dem zweiten und/oder dem dritten Fluid über den ersten Wärmeübertrager an das erste Fluid übertragen wird.
  • Durch einen thermischen Übergang zwischen dem zweiten Wärmeübertrager (Wärmeübertrager des Druckspeicherkraftwerks) und dem ersten Wärmeübertrager (Wärmeübertrager des Dampfkraftwerks) kann die Wärme des komprimierten zweiten Fluids beim Einspeichern genutzt werden, den Prozess des ersten Fluids (Fluid des Dampfkraftwerks) zu betreiben.
  • Als zweite Ausführungsform der Erfindung wird eine Anlage zur Erzeugung elektrischer Energie zur Verfügung gestellt, umfassend: ein Dampfkraftwerk für einen Prozess zur Erzeugung der elektrischen Energie umfassend: einen ersten Wärmeübertrager zur Vorheizung, und/oder zur Verdampfung und/oder zur Überhitzung eines ersten Fluids, eine erste Turbine zur Entspannung des ersten Fluids mit einem Generator, einem Kondensator und eine Pumpe und ein Druckspeicherkraftwerk zum Erzeugen von elektrischer Energie umfassend: einen ersten Kompressor zur Verdichtung eines zweiten Fluids, einen Druckspeicher zur Speicherung des zweiten Fluids, eine zweite Turbine zum Antrieb eines Generators zur Erzeugung der elektrischen Energie und Bereitstellung eines dritten Fluids, eine Brennkammer zur Versorgung der zweiten Turbine mit Wärmenergie und einen zweiten Wärmeübertrager zur Abkühlung und/oder Erhitzung des zweiten Fluids, wobei sowohl beim Einspeichern als auch beim Ausspeichern Wärme aus dem zweiten und/oder dem dritten Fluid über den ersten Wärmeübertrager an das erste Fluid übertragen wird.
  • Beispielhafte Ausführungsformen werden in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.
  • Gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung wird ein Verfahren zur Verfügung gestellt, wobei beim Einspeichern des zweiten Fluids in den Druckspeicher Wärmeenergie des zweiten Fluids über den zweiten Wärmeübertrager an den ersten Wärmeübertrager übertragen wird.
  • In einer weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsform wird ein Verfahren zur Verfügung gestellt, wobei beim Ausspeichern des zweiten Fluids aus dem Druckspeicher das zweite Fluid über den zweiten Wärmeübertrager erhitzt wird.
  • Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird ein Verfahren zur Verfügung gestellt, wobei beim Einspeichern des zweiten Fluids in den Druckspeicher das zweite Fluid im zweiten Wärmeübertrager gekühlt wird.
  • Gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung wird ein Verfahren zur Verfügung gestellt, wobei das dritte Fluid der zweiten Turbine zur Erwärmung des ersten und/oder zweiten Wärmeübertragers genutzt wird.
  • In einer weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsform wird ein Verfahren zur Verfügung gestellt, wobei die beim Einspeichern des zweiten Fluids in den Druckspeicher im zweiten Wärmeübertrager anfallende Wärme über das dritte oder ein viertes Fluid zu dem ersten Wärmeübertrager transportiert wird.
  • Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird ein Verfahren zur Verfügung gestellt, wobei das zweite Fluid beim Ausspeichern nach Erwärmung im zweiten Wärmeübertrager einem dritten Fluid beigemischt und/oder weiter erwärmt wird und/oder gemeinsam entspannt wird.
  • Im Ausspeichervorgang kann das eingespeicherte zweite Fluid nach Erwärmung im zweiten Wärmeübertrager in verschiedenen Konfigurationen in der zweiten Turbine entspannt werden, wobei in der zweiten Turbine entweder ausschließlich das zweite Fluid eingesetzt oder dieses einem weiteren Fluid beispielsweise in der Brennkammer oder über die Turbinenkühlkanäle zugemischt wird und die nötige Wärme zum Betrieb der ersten Turbine des Dampfkreislaufs und der Erwärmung im zweiten Wärmeübertrager durch die Abgase mindestens der zweiten Turbine bereitgestellt wird. Alternativ kann das zweite Fluid mit oder ohne weitere Erwärmung in einer weiteren Turbine entspannt werden, wobei die zweite Turbine dann mit einem anderen Fluid betrieben wird.
  • Gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung wird eine Anlage zur Verfügung gestellt, wobei die Anlage eine Regelklappe und/oder ein Gebläse zur Zuführung von Wärmeenergie des zweiten und/oder dritten Fluids zum ersten und/oder zweiten Wärmeübertrager aufweist.
  • Eine Regelklappe kann vorteilhafterweise die Dosierung der Zuführung der Wärmeenergie gezielt steuern, wodurch eine Erhöhung der Rentabilität beider Kraftwerke (Dampfkraftwerk und Druckspeicherkraftwerk) erreicht werden kann.
  • Die Anordnung eines Gebläses kann eine umlaufende oder durchlaufende Strömung zwischen dem ersten und zweiten Wärmeübertrager erzeugen, um Wärme zu transportieren.
  • Werden der erste und zweite Wärmeübertrager (Abhitzedampferzeuger und Rekuperator) beispielsweise sowohl während des Einspeicherns im Umlauf, wie auch während des Ausspeicherns im Durchlauf von heißen Fluiden durchströmt, so werden diese kontinuierlich genutzt und An- und Abfahrvorgänge entfallen. Dies ermöglicht eine sehr kurze Umschaltzeit (nur noch durch die Turbine und den Kompressor beschränkt) bei hoher Effizienz. Durch permanenten Betrieb des ersten Wärmeübertragers (Dampfkreislauf) wird zudem eine kontinuierliche Prozessdampf- und/oder Fernwärmeauskopplung ermöglicht.
  • In einer weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsform wird eine Anlage zur Verfügung gestellt, wobei der erste und der zweite Wärmeübertrager zu einem dritten Wärmeübertrager integriert sind.
  • Durch eine Integration der Wärmeübertrager beider Kraftwerke kann ein besserer thermischer Übergang zwischen den Prozessen der Kraftwerke erreicht werden und außerdem Material und Platz eingespart werden.
  • Gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung wird eine Anlage zur Verfügung gestellt, wobei die Anlage eine dritte und/oder vierte und/oder fünfte und/oder beliebig viele Turbinen aufweist, deren entspannte Fluide dem ersten Wärmeübertrager und/oder dem zweiten Wärmeübertrager und/oder dem dritten Wärmeübertrager zugeführt werden.
  • In einer weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsform wird eine Anlage zur Verfügung gestellt, wobei das Druckspeicherkraftwerk einen thermischen Niedertemperaturspeicher zur Abkühlung des zweiten Fluids bei Einspeicherung und/oder zur Erwärmung des zweiten Fluids bei Ausspeicherung aufweist.
  • Die Anordnung eines Niedertemperaturspeichers kann die Effizienz des Druckspeicherkraftwerks steigern.
  • Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird eine Anlage zur Verfügung gestellt, wobei das Druckspeicherkraftwerk einen nachgeschalteten Hochdruckkompressor zur Erhöhung des Speicherdrucks des zweiten Fluids aufweist, wobei die bei der Verdichtung anfallende Wärme an einen Niedertemperaturspeicher, ein Fernwärmenetz und/oder an andere Wärmenutzer übergeben wird.
  • Vorteilhafterweise kann durch den Niedertemperaturspeicher im Ausspeichern des zweiten Fluids das komprimierte zweite Fluid vor dem Entspannen in einer Turbine erhitzt werden, um eine Vereisung der Turbine zu verhindern und zusätzliche Energie durch die Expansion freizusetzen.
  • In einer speziellen Ausführung des vorigen Ausführungsbeispiels kann der Hochdruckkompressor während des Ausspeicherns des zweiten Fluids in umgekehrter Durchströmungsrichtung als Hochdruckturbine und der zugeordnete Motor als Generator genutzt werden.
  • Die reversible Ausführung des Hochdruckkompressors ermöglicht einen teilweisen Rückgewinn der für die Hochdruckspeicherung eingesetzten elektrischen Energie.
  • Gemäß einer weiteren beispielhaften Ausführung der Erfindung kann der Vorrat an gespeichertem zweitem Fluid mittels Injektion von einem Anteil des ersten Fluids in das zweite Fluid oder die Brennkammer, oder durch Betreiben des ersten Kompressors im Ausspeichervorgang auf einen längeren Nutzungszeitraum gestreckt werden.
  • Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführung der Erfindung handelt es sich bei dem ersten Fluid um flüssiges bzw. dampfförmiges Wasser, bei dem zweiten Fluid um Luft bzw. Druckluft und bei dem dritten Fluid um Rauchgase.
  • Gemäß verschiedener Varianten aller genannten Ausführungsformen kann es sich bei dem Dampfkreislauf um einen konventionellen Wasser-Dampfkreislauf, aber auch z.B. um einen Organic Rankine Cycle, einen Kalina Cycle oder vergleichbare Prozesse handeln, welche als synonym zu betrachten sind. Ein Dampfkreislauf kann dabei immer eine oder mehrere Druckstufen, Bypässe, sowie Anzapfstellen aufweisen, aus welchen Dampf z.B. zur Zufuhr in den Pfad des zweiten Fluids, in die Brennkammer, für Prozessdampf oder andere Zwecke entnommen werden kann.
  • Gemäß verschiedener Erweiterungen der Erfindung können alle genannten Ausführungen mit zusätzlichen Einheiten zur Bereitstellung von Wärme oder Brenngasen, z.B. einem Festbrennstoffvergaser und/oder zusätzlichen elektrischen, chemischen oder thermischen Beheizungs- oder Warmhaltemethoden, insbesondere für dickwandige Bauteile, ausgestattet werden.
  • Weiterhin kann es zweckmäßig sein, aus dem heißen komprimierten zweiten Fluid vor Eintritt in den zweiten Wärmeübertrager mittels einer sauerstoffpermeablen Membran ohne zusätzlichen Arbeitsaufwand reinen Sauerstoff zu gewinnen und diesen für verschiedene Zwecke (beispielsweise Vergasung) einzusetzen.
  • Eine Idee der Erfindung ist die Kombination eines Gas- und Dampfkraftwerks mit dem Wärmetauscher eines Druckluftspeicherkraftwerks. Hierdurch kann ein Kraftwerk zur Verfügung gestellt werden, das eine Speicherung von elektrischer Energie (in Form des Druckluftspeichers) und eine sehr kurze Anlaufzeit ermöglicht, wodurch das erfindungsgemäße Kraftwerk für die Darstellung von positiver und negativer Spitzenlast geeignet ist. Außerdem kann eine stetige Prozessdampf- und Fernwärmeauskopplung realisiert werden. Vorteilhafterweise wird beim Ausspeichern eines zweiten Fluids aus dem Druckluftspeicher neben der rekuperativen Aufheizung des zweiten Fluids ein Teil der Wärme der Abgase einer Turbine dazu verwendet, den Prozess des Dampfkraftwerks zu unterstützen. Beim Einspeichern kann die Wärme des komprimierten zweiten Fluids ebenfalls dem Prozess des Dampfkraftwerks zugeführt werden. Auf diese Weise kann der Prozess des Dampfkraftwerks sowohl beim Einspeichern als auch beim Ausspeichern unterstützt werden. Ein wesentlicher Vorteil der vorgestellten Erfindung ist dadurch die Warmhaltung bzw. Nutzung des Abhitzedampferzeugers, sowohl während des Ein- wie auch des Ausspeicherns, was ein schnelles Umschalten ohne Aufwärmung des Abhitzedampferzeugers ermöglicht. Ein weiterer wesentlicher Vorteil ist die Nutzbarkeit als konventionelles Gas- und Dampfkraftwerk auch bei leerem Speicher.
  • Die einzelnen Merkmale können selbstverständlich auch untereinander kombiniert werden, wodurch sich zum Teil auch vorteilhafte Wirkungen einstellen können, die über die Summe der Einzelwirkungen hinausgehen.
  • KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung werden anhand der in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiele deutlich. Es zeigen:
  • 1 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Anlage mit einem Dampfkraftwerk 21 mit dem Wärmeübertrager 4 und einem Speicherkraftwerk 30 mit einem Wärmeübertrager 17, wobei die Wärmeübertrager 4 und 17 thermisch miteinander verbunden sind,
  • 2 eine schematische Darstellung der Anlage aus 1 bei einem Ausspeichervorgang,
  • 3 eine weitere erfindungsgemäße Anlage in einer schematischen Darstellung mit einer zusätzlichen Gasturbine, bestehend aus einem Kompressor 20, einer Brennkammer 19 und einer Turbine 18,
  • 4 eine Anlage mit einer Turbine 18, deren entspanntes Fluid zur Erwärmung eines Prozesses des Dampfkraftwerks 21 und zur Erwärmung eines Wärmeübertragers 17 für Druckluft dient, wobei im Ausspeichern die Druckluft der Brennkammer 19 zugeführt werden kann,
  • 5 einen Wärmeübertrager 31 für einen Wärmeübergang zwischen drei Medien,
  • 6 einen weiteren Wärmeübertrager 31 für einen Wärmeübergang zwischen drei Medien,
  • 7, 8, 9 noch weitere Wärmeübertrager 31 für einen Wärmeübergang zwischen drei Medien,
  • 10 eine Nutzungsmöglichkeit eines thermischen Niedertemperaturspeichers 26 und eines Kompressors 27 eines Druckluftspeicherkraftwerks bei der Einspeicherung mit dem Hochdruckkompressor 27,
  • 11 eine Nutzungsmöglichkeit des thermischen Niedertemperaturspeichers 26 und des Kompressors 27 des Druckluftspeicherkraftwerks bei der Ausspeicherung mit Nutzung des reversiblen Hochdruckkompressors 27 als Hochdruckturbine,
  • 12 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Kraftwerks mit einem Dampfkraftwerk 1, 2 und einem Druckspeicherkraftwerk 12, 18, 19 und
  • 13 eine Anlage mit einer Turbine 18, deren entspanntes Fluid zur Erwärmung eines Prozesses des Dampfkraftwerks 21 und zur Erwärmung eines Wärmeübertragers 17 für Druckluft dient, wobei im Ausspeichern die erwärmte Druckluft in einer weiteren Turbine 32 entspannt wird.
  • DETAILLIERTE BESCHREIBUNG BEISPIELHAFTER AUSFÜHRUNGSFORMEN
  • 1 zeigt eine schematische Darstellung einer Anlage mit einem Dampfkraftwerk 21, das einen Wärmeübertrager 4, eine Turbine 1 zum Antrieb eines Generators G über eine mechanische Welle 28 und einen Kondensator 2 aufweist. Außerdem weist die Anlage ein Druckspeicherkraftwerk 30 mit einer Brennkammer 16, einer Turbine 14 zum Antrieb eines Generators G zur Erzeugung elektrischer Energie, einen Wärmeübertrager 17, einen Kompressor 12 und einen Motor M zum Antrieb des Kompressors 12 über eine mechanische Welle 29 auf. Insbesondere bei Vorhandensein von billigem Strom kann über den Motor M Druckluft erzeugt werden, die nach Abkühlung in dem Wärmeübertrager 17 in dem Druckluftspeicher gespeichert werden kann. Die 1 stellt den Einspeichervorgang, also das Auffüllen des Druckluftspeichers, dar. Das Dampfkraftwerk 21 umfasst einen Wärmeübertrager 4, in dem überhitzter Dampf erzeugt wird (Abhitzedampferzeuger). Im Einspeichervorgang wird die vom Wärmeübertrager 17 übertragene Wärme über ein Transportmedium, gefördert vom Gebläse 7, dem Wärmeübertrager 4 zugeführt, wodurch der Prozess des Dampfkreislaufs 21 unterstützt wird. Die Regelklappen 8, 9 werden geschlossen und Regelklappe 15 geöffnet, damit das heiße Gas zu dem Wärmeübertrager 4 gelangen kann. Über Ventil 13 fließt heiße Druckluft vom Kompressor 12 zu Wärmeübertrager 17 und von dort zum Druckluftspeicher 11. Brennkammer 16 und Turbine 14, sowie Schornstein 10, werden nicht durchströmt.
  • 2 zeigt eine schematische Darstellung des Kraftwerks aus 1 bei einem Ausspeichervorgang, wobei Druckluft aus dem Druckluftspeicher 11 durch den Wärmetauscher 17 geleitet wird und hierbei aufgewärmt wird. In der Brennkammer 16 wird die Druckluft zusätzlich erwärmt bzw. in Rauchgase umgewandelt. Die Expansion der Rauchgase treibt die Turbine 14 an, wodurch der Generator G zur Erzeugung von elektrischer Energie genutzt werden kann. Die entspannten Rauchgase werden dem Wärmeübertrager 17 zugeführt, wodurch die Druckluft aus dem Druckluftspeicher vorgewärmt werden kann. Etwa 15% der heißen Rauchgase der Turbine 14 können über die Regelklappe 15 (die Regelklappe 15 wird in diesem Fall entsprechend teilweise geöffnet) dem Wärmeübertrager 4 zugeführt, wodurch der Prozess des Dampfkreislaufs 21 unterstützt wird. Regelklappe 15 kann auch durch mehrere Regelklappen im Rauchgasstrom ersetzt werden, sodass eine optimale Verteilung der heißen Turbinenabgase bei Ausspeicherung und der Umlauf zur Einspeicherung gewährleistet ist. Die Regelklappen 8 und 9 sind geöffnet, Gebläse 7 ist nicht in Betrieb. Kompressor 12 ist regelmäßig nicht in Betrieb, kann aber zur Streckung des Druckluftvorrats oder bei leerem Speicher eingesetzt werden.
  • 3 zeigt ein Kraftwerk in schematischer Darstellung mit einer zweiten Gasturbine bestehend aus Turbine 18, Brennkammer 19, und Kompressor 20 deren heiße entspannte Rauchgase während des Ausspeicherns zur Erwärmung des Wärmeübertragers 4 des Dampfkreislaufs 21 genutzt werden. Es kann weiterhin entweder ein überschüssiger Rest der Wärme der Rauchgase über die teilweise geöffnete Regelklappe 15 zum Wärmeübertrager 17 gelangen und dort die Luft aus dem Druckluftspeicher erwärmen, oder umgekehrt ein Teil der Rauchgase von Turbine 14 zum Wärmeübertrager 4 gelangen, wodurch der Dampfkreislauf 21 zusätzlich unterstützt wird.
  • 4 zeigt eine Gasturbine mit Brennkammer 19, deren Wärmeenergie zum Antrieb der Turbine 18 führt, wodurch mittels des Generators G elektrische Energie erzeugt werden kann. Die heißen Rauchgase der Turbine 18 können dem Dampfkreislauf 21 über den Wärmeübertrager 4 und über die Regelklappe 15, die teilweise geöffnet sein kann, dem Wärmeübertrager 17 zugeführt werden, um Druckluft aus dem Druckluftspeicher vorzuwärmen. Alternativ kann der Austritt der Turbine 18 gleichzeitig mit beiden Wärmeübertragern 4 und 17 strömungstechnisch direkt verbunden sein. Die Druckluft aus dem Druckluftspeicher 11 kann der Brennkammer 19, oder alternativ oder zusätzlich den Kühlluftkanälen der Turbine 18, zugeführt werden.
  • 5 zeigt eine Ausbildung eines äußeren Rohrs 22 in dem ein inneres Rohr 23 angeordnet ist. Hierdurch kann ein Wärmeübertrager 31 realisiert werden, der einen Wärmeübergang von drei Medien ermöglicht. Das erste Medium kann ein Rauchgas sein, das an der Oberfläche des äußeren Rohrs 22 vorbeiströmt. Das zweite Medium kann zwischen äußerem und innerem Rohr 22, 23 angeordnet sein und das dritte Medium kann innerhalb des inneren Rohrs 23 angeordnet sein. Mit einem solchen Wärmeübertrager 31 können die Wärmeübertrager 4 und Wärmeübertrager 17 ersetzt werden.
  • 6 zeigt eine alternative Ausführungsform eines Wärmeübertragers 31 für drei Medien in Form eines Doppelrohres.
  • 7 zeigt einen Wärmeübertrager 31, dessen Teile 24, 25 angelegt oder verschweißt werden können.
  • 8 zeigt einen Wärmeübertrager 31, dessen Teile 24, 25 abgeplattet oder anderweitig angepasst und verschweißt, verspannt, angeflanscht oder verschraubt werden können.
  • 9 zeigt einen Wärmeübertrager 31, dessen Teile 24, 25 mit einer Schiene versehen sein können, wobei, nach einem Ineinanderverschieben, durch Wärmedehnung eine Verspannung erzielt werden kann. Hierdurch ist ein fester Zusammenhalt der Teile 24, 25 sichergestellt.
  • 10 zeigt eine Ausbildung eines thermischen Niedertemperaturspeichers 26, der beim Einspeichern zum Abkühlen des komprimierten Gases führt. Nach der Abkühlung wird der Druck der Luft im Hochdruckkompressors 27 zusätzlich erhöht und die dabei entstehende Wärme ebenfalls an den Niedertemperaturspeicher abgegeben, wodurch eine Einspeicherung unter höherem Druck und damit mehr Gas pro Volumen ermöglicht wird. Der thermische Niedertemperaturspeicher 26 kann insbesondere entlang der Leitung 11 der 1, 2, 3 und 4 angeordnet werden.
  • 11 zeigt den thermischen Niedertemperaturspeicher 26 beim Ausspeichern, wobei die komprimierte Luft erwärmt wird, anschließend über den Hochdruckkompressor 27, welcher in umgekehrter Strömungsrichtung als Hochdruckturbine genutzt wird, entspannt und anschließend erneut in dem Niedertemperaturspeicher 26 erwärmt wird, um die Effizienz des Prozesses zu erhöhen.
  • 12 zeigt eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Kraftwerks mit einem Dampfkraftwerk 1, 2 und einem Druckspeicherkraftwerk 12, 18, 19 ähnlich zu 1, wobei die Anordnung aus Wärmeübertrager 4 und 17, Regelklappe 15 und Gebläse 7 durch einen Wärmeübertrager 31 ersetzt ist, in dem Wärme zwischen dem ersten (Wasser-Dampf) Fluid, dem zweiten Fluid (Druckluft) und dem dritten Fluid (Rauchgas) übertragen wird.
  • 13 zeigt eine Gasturbine mit Brennkammer 19 deren Wärmeenergie zum Antrieb der Turbine 18 führt, wodurch mittels des Generators G elektrische Energie erzeugt werden kann. Die heißen Rauchgase der Turbine 18 können dem Dampfkreislauf 21 über den Wärmeübertrager 4 und über die Regelklappe 15, die teilweise geöffnet sein kann, dem Wärmeübertrager 17 zugeführt werden, um Druckluft aus dem Druckluftspeicher vorzuwärmen. Alternativ kann der Austritt der Turbine 18 gleichzeitig mit beiden Wärmeübertragern 4 und 17 strömungstechnisch direkt verbunden sein. Die Druckluft aus dem Druckluftspeicher wird in einer zusätzlichen Druckluftturbine 32 ohne vorgelagerte Verbrennungsvorgänge entspannt.
  • In einer weiteren alternativen Ausführungsform kann die Anlage eine dritte und/oder vierte und/oder fünfte und/oder beliebig viele Turbinen aufweisen, deren entspannte Fluide dem ersten Wärmeübertrager 17 und/oder dem zweiten Wärmeübertrager 4 und/oder dem dritten Wärmeübertrager 31 zugeführt werden.
  • Alternativen zu einer Gasturbine zur Bereitstellung heißer Gase können beispielsweise eine Festbrennstofffeuerung oder eine reversible oder nicht-reversible Hochtemperaturbrennstoffzelle sein.
  • Es sei angemerkt, dass der Begriff „umfassen“ weitere Elemente oder Verfahrensschritte nicht ausschließt, ebenso wie der Begriff „ein“ und „eine“ mehrere Elemente und Schritte nicht ausschließt.
  • Die verwendeten Bezugszeichen dienen lediglich zur Erhöhung der Verständlichkeit und sollen keinesfalls als einschränkend betrachtet werden, wobei der Schutzbereich der Erfindung durch die Ansprüche wiedergegeben wird.
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    Turbine
    2
    Kondensator
    3
    Trommel
    4
    Wärmeübertrager
    7
    Gebläse
    8
    Regelklappe
    9
    Regelklappe
    10
    Kamin
    11
    Leitung zum Druckluftspeicher
    12
    Kompressor
    13
    Ventil
    14
    Turbine
    15
    Regelklappe
    16
    Brennkammer
    17
    Gas-Gas-Wärmeübertrager
    18
    Turbine
    19
    Brennkammer
    20
    Kompressor
    21
    Dampfkreislauf
    22
    äußeres Rohr
    23
    inneres Rohr
    24
    erstes Rohr
    25
    zweites Rohr
    26
    thermischer Speicher
    27
    Kompressor
    28
    mechanische Welle zum Antrieb eines Generators durch eine Turbine
    29
    mechanische Welle zum Antrieb eines Kompressors durch einen Motor
    30
    Druckspeicherkraftwerk mit Rekuperator
    31
    kombinierter Wärmeübertrager
    32
    Turbine
    33
    mechanische Welle zum Antrieb eines Generators durch eine Turbine
    G
    Generator
    M
    Motor

Claims (10)

  1. Verfahren zur Erzeugung elektrischer Energie, umfassend: ein Dampfkraftwerk (21) für einen Prozess zur Erzeugung der elektrischen Energie umfassend: einen ersten Wärmeübertrager (4, 31) zur Vorheizung, und/oder zur Verdampfung und/oder zur Überhitzung eines ersten Fluids, eine erste Turbine (1) zur Entspannung des ersten Fluids mit einem Generator (G), einem Kondensator (2) und eine Pumpe und ein Druckspeicherkraftwerk (30) zum Erzeugen von elektrischer Energie umfassend: einen ersten Kompressor zur Verdichtung eines zweiten Fluids, einen Druckspeicher zur Speicherung des zweiten Fluids, eine zweite Turbine (14) zum Antrieb eines Generators (G) zur Erzeugung der elektrischen Energie und Bereitstellung eines heißen dritten Fluids, eine Brennkammer (16) zur Versorgung der zweiten Turbine (14) mit Wärmenergie und einen zweiten Wärmeübertrager (17, 31) zur Abkühlung und/oder Erhitzung des zweiten Fluids, gekennzeichnet durch die Schritte: sowohl beim Einspeichern als auch beim Ausspeichern, übertragen von Wärme aus dem zweiten und/oder dem dritten Fluid über den ersten Wärmeübertrager (4, 31) an das erste Fluid.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass beim Einspeichern des zweiten Fluids in den Druckspeicher Wärmeenergie des zweiten Fluids über den zweiten Wärmeübertrager (17) an den ersten Wärmeübertrager (4) übertragen wird.
  3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass beim Ausspeichern des zweiten Fluids aus dem Druckspeicher das zweite Fluid über den zweiten Wärmeübertrager (17) erhitzt wird.
  4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass beim Einspeichern des zweiten Fluids in den Druckspeicher das zweite Fluid im zweiten Wärmeübertrager (17) gekühlt wird.
  5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das dritte Fluid der zweiten Turbine (14) zur Erwärmung des ersten und/oder zweiten Wärmeübertragers (4, 17) genutzt wird.
  6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die beim Einspeichern des zweiten Fluids in den Druckspeicher im zweiten Wärmeübertrager (17) anfallende Wärme über das dritte oder ein viertes Fluid zu dem ersten Wärmeübertrager (4) transportiert wird.
  7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Fluid beim Ausspeichern nach Erwärmung im zweiten Wärmeübertrager einem dritten Fluid beigemischt und/oder weiter erwärmt und/oder gemeinsam entspannt wird.
  8. Anlage zur Erzeugung elektrischer Energie, umfassend: ein Dampfkraftwerk (21) für einen Prozess zur Erzeugung der elektrischen Energie umfassend: einen ersten Wärmeübertrager (4, 31) zur Vorheizung, und/oder zur Verdampfung und/oder zur Überhitzung eines ersten Fluids, eine erste Turbine (1) zur Entspannung des ersten Fluids mit einem Generator (G), einem Kondensator (2) und eine Pumpe und ein Druckspeicherkraftwerk (30) zum Erzeugen von elektrischer Energie umfassend: einen ersten Kompressor zur Verdichtung eines zweiten Fluids, einen Druckspeicher zur Speicherung des zweiten Fluids, eine zweite Turbine (14) zum Antrieb eines Generators (G) zur Erzeugung der elektrischen Energie und Bereitstellung eines dritten Fluids, eine Brennkammer (16) zur Versorgung der zweiten Turbine (14) mit Wärmenergie und einen zweiten Wärmeübertrager (17, 31) zur Abkühlung und/oder Erhitzung des zweiten Fluids, dadurch gekennzeichnet, dass sowohl beim Einspeichern als auch beim Ausspeichern Wärme aus dem zweiten und/oder dem dritten Fluid über den ersten Wärmeübertrager (4, 31) an das erste Fluid übertragen wird.
  9. Anlage nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Anlage eine Regelklappe (15) und/oder ein Gebläse (7) zur Zuführung von Wärmeenergie des zweiten und/oder dritten Fluids zum ersten und/oder zweiten Wärmeübertrager (4, 17) aufweist.
  10. Anlage nach einem Ansprüche 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass der erste und der zweite Wärmeübertrager (4, 17) zu einem dritten Wärmeübertrager (31) integriert sind.
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