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Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Anordnung zur mittelbaren Speicherung elektrischer Energie und zur Erbringung von positiver und negativer Regelleistung, insbesondere von Primär- und Sekundärregelleistung, für ein elektrisches Verbundstromnetz.
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Die Stabilität eines Stromversorgungsnetzes (Verbundstromnetz, Verbundnetz, Stromnetz) wird durch positive und negative Regelleistung, insbesondere Primär- und Sekundärregelleistung, sichergestellt, die gegenwärtig über rotierende Massen und die Kesselwasserspeicherung in Betrieb befindlicher und mit fossilen Brennstoffen feuernder Kraftwerke erbracht wird. Großkraftwerke fahren daher in der Regel im leicht gedrosselten Betrieb, um bis zu 5% ihrer Leistung zur Erbringung von Primärregelleistung vorzuhalten. Die Erbringung der benötigen Leistung in positiver (Leistungserhöhung) oder negativer (Leistungsreduzierung) Richtung ist innerhalb von 30 Sekunden nach Abruf der Primärregelleistung durch den Übertragungsnetzbetreiber (ÜNB) sicherzustellen und für eine Dauer von 15 Minuten zu garantieren. Danach wird über die Sekundärreserve sowie Minutenreserven der Abgleich von Bedarf und Erzeugung für das elektrische Netz sichergestellt. Positive Primärregelleistung bedeutet, dass dem Netz auf Anforderung spontan elektrische Leistung zugeführt wird, negative Primärregelleistung bedeutet, dass dem Netz innerhalb weniger Sekunden Leistung entzogen wird.
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Mit der zunehmenden Erhöhung des Anteils erneuerbarer Energien an der Stromproduktion wird die Möglichkeit, durch Reserven ohnehin betriebener Kraftwerke Regelleistung, insbesondere Primär- und Sekundärregelleistung, bereitzustellen, sukzessive beschnitten. Demgegenüber sind Photovoltaikanlagen und Windenergiekonverter von sich aus nicht in der Lage, negative und positive Primärregelleistung mit ausreichender Sicherheit bereitzustellen. Dies scheitert bereits an der fehlenden Möglichkeit zur kurz- oder mittelfristigen Stromspeicherung. Zwar können nachgeschaltete Pumpspeicherkraftwerke diese Systemdienstleistungen erbringen, deren Anzahl ist jedoch aufgrund der speziellen Standortanforderungen stark beschränkt.
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Vorrichtungen und Verfahren zur mittelfristigen Speicherung von durch Photovoltaik und Windkraft erzeugter elektrischer Energie sind aus dem Stand der Technik bekannt. Einer Gruppe dieser Einrichtungen ist gemein, dass elektrische Energie zu Speicherzwecken in Wärmeenergie und diese zur Nutzbarmachung in elektrische Energie rückgewandelt wird.
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Eine entsprechende Vorrichtung ist in der
WO 2012/059183 A2 offenbart, wobei als Wärmeerzeuger Ohm'sche Wärmeerzeuger, insbesondere Elektroheizpatronen, vorgesehen sind. Diese erhitzen bei Leistungsüberschuss eines Stromnetzes ein flüssiges Medium, das anschließend einem Zwischenspeicher, vorzugsweise einem Boiler oder Ruths-Speicher, zugeführt wird. Mittels eines Stirling-Motors oder einer Organic Rankine Cycle-Anlage wird dem Speicher entnommene Wärme in Strom umgewandelt.
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Die Speicherung elektrischer Energie in einem Wärmespeicher sowie deren Rückverstromung mittels eines thermodynamischen Kreisprozesses wird auch in der
EP 2 250 356 B1 beschrieben. Die hierfür offenbarte Vorrichtung weist ein elektrisch betriebenes Heizelement, einen Wärmespeicher sowie einen Wärmetauscher zur Auskopplung thermischer Energie auf. Die Auskopplung der Wärme erfolgt dabei indirekt und umfasst insbesondere die Nutzung der Speicherwärme zur Vorwärmung von Luft oder Brennstoff einer Gasturbine.
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Auch die
WO 2011/062514 A1 beschreibt eine Vorrichtung zur Speicherung der überschüssigen Energie eines Stromnetzes, speziell aus regenerativen Energiequellen, in Form von Wärme in einem Dampfspeicher. Zur Rückverstromung wird ein Arbeitsmedium in einem in dem Dampfspeicher angeordneten Wärmetauscher verdampft und der gespeicherte Dampf über eine Turbine verstromt.
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Die
US 5,384,489 A beschreibt die Speicherung von mittels Windkraft erzeugter Energie, wobei mit elektrischen Heizelementen in einem Wärmereservoir gespeichertes Medium erhitzt wird. Dem Reservoir wird über einen Wärmetauscher Wärme entzogen, dem Verdampfer eines Dampfturbinenkreises zugeführt und dort verstromt.
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Eine solche Vorrichtung zur Speicherung von Windenergie, aufweisend ein elektrisch beheiztes Wärmereservoir, beschreibt auch die
WO 2005/0088122 A1 . Dem Reservoir entnommene Wärme wird einer thermodynamischen Maschine, insbesondere einer Turbine, zugeführt und dort in elektrischen Strom rückgewandelt. Als Wärmereservoir kommt vorzugsweise ein Festkörper zum Einsatz.
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Den aus dem Stand der Technik bekannten Vorrichtungen ist gemein, dass die Konversion der Energie träge und zeitaufwändig ist. Die Eignung der anhand dieser Vorrichtungen beschriebenen Verfahren zur Bereitstellung von Regelenergie ist somit nicht gegeben.
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Aus der
DE 721 254 A ist eine Hochdruckspeicheranlage bekannt, die mit elektrischem Strom aufgeladen und der Dampf unter Druckabfall entnommen wird. Dabei wird Speicherwasser in einem Wärmetauscher durch elektrischen Strom erhitzt und in einem Hochdruckspeicher gespeichert. Diesem kann Dampf entnommen und einer Kraftmaschine, bspw. einer Dampfturbine, zugeführt werden. Es ist weder eine Regelung der eingebrachten elektrischen Energie noch der an der Kraftmaschine erzeugten Leistung beschrieben.
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Die
EP 1 584 798 A1 beschreibt die Speicherung und Erzeugung von Kraft bzw. Strom und Wärme aus Abwärme oder aus Brennstoffen unter Verwendung eines Dampferzeugers und eines Dampfspeichers. Die Beheizung des Dampferzeugers wird durch Heißgas und Strahlungswärme realisiert. Die Nutzung des Speichers erlaubt eine gleichmäßige Bereitstellung von Dampf zur Kraft-, Strom- bzw. Wärmeerzeugung auch bei ungleichmäßiger Beheizung des Dampferzeugers sowie die Deckung von Belastungsspitzen in der Kraft- bzw. Stromerzeugung oder der Wärmeabnahme.
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In der
EP 1 174 591 A1 ist eine Regelung für eine kombinierte Gas- und Dampfturbinenanlage beschrieben. In solch einer Anlage wird die Abwärme der Gasturbinen zum Beheizen eines Dampfkessels der Dampfturbinenanlage genutzt. Die Dampfturbinenleistung wird mit Hilfe von Ventilen derart gesteuert, dass Schwankungen der Netzfrequenz durch eine vorübergehende Leistungsminderung oder -erhöhung an der Dampfturbine ausgeglichen werden können.
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Auch die
EP 0 026 798 A1 beschreibt eine Möglichkeit, die Leistung einer Prozessdampf abgebenden Dampfturbinenanlage sprungartig zu erhöhen. Dazu wird im Normalbetrieb der Anlage Dampf in einem Dampfspeicher gespeichert, wobei bei erhöhtem Leistungsbedarf mittels Ventilen mehr Dampf zur Stromerzeugung genutzt und der weiterhin benötigte Prozessdampf aus dem Dampfspeicher entnommen wird.
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Aus der
US 2010/0154725 A1 ist eine Dampferzeugungsanlage bekannt, die bei einer notwendigen Erhöhung einer Dampfmenge (z. B. zur Stromerzeugung) sehr schnell Dampf bereitstellen kann. Dazu wird in einem Speicher Wasser und Dampf gespeichert. Im Bedarfsfall wird der im Speicher gespeicherter Dampf ausgelassen, wobei durch den plötzlichen Druckabfall ein Großteil des im Speicher befindlichen Wassers in Dampf überführt wird. Zusätzlich wird durch die Zuführung von Wärmeenergie weiterer Dampf erzeugt, der jedoch erst nach ca. 5–10 min bereitgestellt wird.
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Die
US 3,818,698 A offenbart eine Anlage zur zusätzlichen Erzeugung von Strom in Spitzenbelastungszeiten. Die Anlage weist mehrere Dampfspeicher auf, die unterschiedliche Dampfdrücke bereitstellen, und mehrere Dampfturbinen, wobei jede Turbine für einen bestimmten Dampfdruckbereich optimiert ist.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die Nachteile des Standes der Technik zu überwinden, indem sie die kurz- und mittelfristige Speicherung elektrischer Energie und die Bereitstellung positiver oder negativer Regelleistung, insbesondere Primär- und Sekundärregelleistung, ermöglicht. Dabei soll die Regelleistung innerhalb weniger Sekunden nach Abruf für die Stabilisierung des Stromnetzbetriebes zur Verfügung stehen.
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Die Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Hauptanspruchs sowie eine Anordnung gemäß Anspruch 8. Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der jeweils rückbezogenen Unteransprüche.
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Die Aufgabe wird gelöst durch ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Bereitstellung von positiver und/oder negativer Regelleistung für ein Stromnetz, wobei
- i. ein mittels mindestens einem elektrischen Heizelement heizbarer Dampf-Gefällespeicher beladen und über ein regelbares Ventil mit einer Gegendruck- oder Sattdampfturbine verbunden ist,
- ii. die Gegendruck- oder Sattdampfturbine durch Dampfentnahme aus dem Dampf-Gefällespeicher, fossile Befeuerung und/oder Wärmekopplung durcherhitzt und mit einem Generator verbunden ist,
- iii. der Generator und das mindestens eine elektrische Heizelement über eine Synchronschaltung mit dem Stromnetz synchronisiert ist,
- iv. im Regelbetrieb bei aktuellen Netzfrequenzen in einem Frequenzband mit Abweichungen von der Standardfrequenz von
- a. –20 mHz bis –200 mHz durch Öffnen des regelbaren Ventils die Turbinenlast erhöht und innerhalb von 30 s positive Regelleistung ins Stromnetz eingespeist wird,
- b. +20 mHz bis +200 mHz durch Erhöhung der elektrischen Heizleistung am Dampf-Gefällespeicher innerhalb von 30 s negative Regelleistung ins Stromnetz eingespeist wird.
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Erfindungsgemäß ermöglicht das Verfahren die Erzeugung von positiver und negativer Regelleistung, insbesondere von Primär- und Sekundärregelleistung. Hierzu ist ein Dampf-Gefällespeicher mittels eines elektrischen Heizelementes heizbar ausgeführt, kann also vermittels der Wirkung des elektrischen Heizelements mit Dampf oder überhitztem Wasser beladen werden. Das elektrische Heizelement ist dabei direkt im Dampf-Gefällespeicher und/oder in einem, mit dem Dampf-Gefällespeicher verbundenen Heizkessel angeordnet. Unter einem elektrischem Heizelement wird im Folgenden jedes mit elektrischem Strom betriebene Element bezeichnet, das dazu bestimmt und geeignet ist, Wärme zu erzeugen und diese auf Wasser oder Dampf zu übertragen. Bei dem Heizelement handelt es sich bevorzugt um Heizpatronen und/oder einen Elektrodenkessel. Erfindungsgemäß ist der Dampf-Gefällespeicher dabei zunächst so beladen, also mit überhitztem Wasser oder Dampf so befüllt, dass dem Speicher über mindestens 15 min Leistung entnehmbar ist.
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Der Dampf-Gefällespeicher ist weiterhin über ein regelbares Ventil mit einer Gegendruck- oder Sattdampfturbine verbunden. Diese Turbine ist erfindungsgemäß dauerhaft in einem durchgewärmten Betriebszustand, weist also eine zumindest annähernd ausgeglichene Temperatur über ihr gesamtes Volumen auf. Es ist bekannt, dass Turbinen in der Regel Anfahrzeiten, häufig über 30 min, benötigen, der durchgeleitete Volumenstrom also nur langsam erhöht werden kann. Der Grund dafür liegt darin, dass die Bauteiltemperatur der Turbine nur langsam, üblicherweise mit weniger als 30 K/min, erhöht werden kann, wenn thermische Spannungen und somit Materialermüdung bzw. Beschädigungen vermieden werden sollen. Da die Turbine erfindungsgemäß ständig im durcherhitzten Zustand gehalten wird, kann der zugeführte Volumenstrom und somit die Turbinenleistung weitaus schneller erhöht werden. Die Erhitzung der Turbine erfolgt erfindungsgemäß durch Dampf- und somit Wärmeentnahme aus dem Dampf-Gefällespeicher, über eine fossile Befeuerung, eine Wärmeeinkopplung über einen Wärmetauscher oder über elektrische Heizelemente.
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Die Turbine ist mit einem nachgeschalteten elektrischen Generator verbunden, mit dem die mechanische Energie der Turbine in elektrische Energie wandelbar ist. Bei dem Generator handelt es sich bevorzugt um eine Drehstrom-Synchronmaschine. Erfindungsgemäß ist der Generator mit dem Stromnetz bzw. mit dem durch die Netzfrequenz vorgegebenen Drehfeld synchronisiert und wird ständig in diesem Zustand gehalten. Der Generator ist bevorzugt als Innen- oder Außenpolmaschine aufgebaut und wird ebenfalls bevorzugt mittels Steuerelektronik bzw. Leittechnik, bspw. Frequenzumrichtern, automatisch mit der Netzfrequenz synchronisiert. Erfindungsgemäß sind auch die elektrischen Heizelemente mit dem Stromnetz synchronisiert. Unter Synchronisation mit dem Stromnetz wird dabei eine Anpassung von Frequenz, Phasenfolge, Phasenlage und Spannung von Generator bzw. elektrischem Heizelement und Stromnetz verstanden. Dies schließt jedoch andere Betriebsmodi des Generators bspw. im Phasenschieberbetrieb nicht aus. Die ständige Synchronisation des mit der Turbine gekoppelten Generators ermöglicht vorteilhaft die Schnellstartfähigkeit des Generators und der Turbine, ohne Entstehung störender Momente und eine Leistungseinspeisung ins Stromnetz innerhalb von 30 s. Die Synchronisation des elektrischen Heizelements erlaubt vorteilhaft dessen Schnellstartfähigkeit und eine Leistungsaufnahme aus dem Stromnetz innerhalb von 30 s.
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Bevorzugt wird ein Elektrodenkessel mit einer elektrische Leistungsaufnahme zwischen 0,8 MW und 20 MW eingesetzt. Unter der Annahme eines verlustlosen Prozess ergibt die minimale Einspeiseleistung des Elektrodenkessels von 0,8 MWel eine thermische Leistung von 0,8 MWth. Eine Stromkennzahl von 0,15 vorausgesetzt, lassen sich von dieser thermischen Energie ca. 0,7 MW über Heizdampf und 0,1 MW als elektrische Energie entnehmen. Bei einer maximalen Einspeisung von 20 MWel lassen sich analog ca. 17,4 MW über Heizdampf und 2,6 MW als elektrische Energie entnehmen. Durch die Verwendung eines Dampf-Gefällespeichers, bevorzugt eines Ruths-Speichers oder eines Entspannungsverdampfers, wird vorteilhaft der Übergang von der minimalen zur maximalen Leistungsaufnahme und der minimalen zur maximalen Leistungsabgabe gepuffert und zeitlich entkoppelt.
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Aufgrund der Einstellung der Verfahrensparameter in der vorbeschriebenen Weise kann im erfindungsgemäßen Verfahren, im sogenannten Regelbetrieb, durch Öffnen des regelbaren Ventils die Turbinenlast erhöht und innerhalb von 30 Sekunden positive Regelleistung ins Stromnetz eingespeist werden. Gemäß den Anforderungen des europäischen Verbundnetzes wird positive Regelleistung angefordert, wenn die Netzfrequenz unter einen Wert von 49,98 Hz fällt. Dabei wird in einem Frequenzband zwischen 50 Hz–20 mHz und 50 Hz–200 mHz die positive Regelleistung proportional zwischen 0% und 100% eingestellt. Erfindungsgemäß erfolgt die proportionale Bereitstellung von Regelenergie ins Stromnetz durch proportionales Öffnen des regelbaren Ventils und damit verbundener Turbinenlast.
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Erfindungsgemäß kann weiterhin innerhalb von 30 Sekunden negative Regelleistung durch Erhöhung der elektrischen Heizleistung der elektrischen Heizelemente ins Stromnetz eingespeist werden. Gemäß den Anforderungen des europäischen Verbundnetzes wird negative Regelleistung angefordert, wenn die Netzfrequenz über einen Wert von 50,02 Hz steigt. Dabei wird in einem Frequenzband zwischen 50 Hz +20 mHz und 50 Hz +200 mHz die negative Regelleistung proportional zwischen 0% und 100% eingestellt. Durch die entnommene Regelleistung wird mit den Heizelementen erfindungsgemäß Wasser erhitzt oder verdampft und in einem Dampf-Gefällespeicher gespeichert.
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Unabhängig vom europäischen Verbundnetz ist das erfindungsgemäße Verfahren auch in jedem anderen, mit Regelleistung arbeitendem nationalen oder supranationalen Stromnetz durchführbar, wobei die, dem Fachmann bekannten Frequenzbänder, in denen die Bereitstellung der Regelleistung erfolgt, entsprechend an den jeweiligen Netzstandard angepasst werden.
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In einer bevorzugten Durchführungsform des Verfahrens wird die Dampfturbine kontinuierlich auf Mindestlast gefahren. Kontinuierlich bezeichnet dabei im Sinne der vorliegenden Anmeldung nicht zwangsläufig einen Betrieb ohne jegliche Unterbrechung. Vielmehr ist die Turbine kontinuierlich so zu betreiben, dass jederzeit ein Hochfahren durch Öffnen des regelbaren Ventils innerhalb von 30 s und ohne Schäden an der Turbine möglich ist. Die Turbine kann somit auch intermittierend oder mit modulierter Leistung betrieben werden, da sie jederzeit durchgewärmt und betriebsbereit und die Bereitstellung der Regelleistung sichergestellt ist. Dabei wird der Grad der Kontinuität des Betriebs von der Größe der Turbine bestimmt.
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Ebenfalls bevorzugt erfolgt die Heizung des Dampf-Gefällespeichers kontinuierlich über den Elektrodenkessel oder die Heizpatronen. Damit ist auch hier ein kontinuierlicher Betrieb gemeint, in dem innerhalb von 30 s ausreichend negative Regelleistung durch Erhöhung der elektrischen Heizleistung abrufbar ist.
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Wird keine Regelleistung abgerufen, also bei Netzfrequenzen zwischen 49,98 und 50,02 Hz, läuft die erfindungsgemäße Anordnung im sogenannten Leerlaufbetrieb. Dabei wird der Dampf-Gefällespeicher durch Leistungsaufnahme aus dem Stromnetz beladen, durch den Gegen-druck wird der Sattdampfturbine Dampf über das regelbare Ventil zugeführt und Turbinenleistung über den Generator in das Stromnetz eingespeist, wobei die Leistungsaufnahme im zeitlichen Mittel (arithmetisches Mittel über die Zeitanteile) größer ist als die -einspeisung. Gleichzeitig wird die Koppelwärme aus dem Turbinenbetrieb besonders bevorzugt einem Fernheiznetz zugeführt.
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Im Regelbetrieb wird der Dampf-Gefällespeicher elektrisch geheizt. Dies erfolgt bevorzugt mittels mindestens einer Heizpatrone und/oder eines Elektrodenkessels. Gleichzeitig wird die Turbine zumindest mit Mindestlast betrieben, was zu einer Energieentnahme aus dem Dampf-Gefällespeicher führt. Dadurch wird erfindungsgemäß dem Netz gleichzeitig elektrische Energie entzogen und in reduziertem Umfang über den, mit der Turbine verbundenen Generator wieder zugeführt. Die Vorrichtung arbeitet solchermaßen im Kurzschlussbetrieb, wie er aus Pumpspeicherkraftwerken als hydraulischer Kurzschluss bekannt ist. Wird nun negative Regelleistung vom ÜNB abgerufen, kann die Leistung der in Betrieb befindlichen Heizpatrone oder des Elektrodenkessels innerhalb kürzester Zeit erhöht werden, während die Leistung der Gegendruckturbine nicht geändert werden muss. Die zusätzlich in das System eingebrachte Energie wird im Dampf-Gefällespeicher zwischengepuffert.
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Umgekehrt verhält es sich beim Abruf positiver Regelleistung durch den ÜNB:
Die Heizpatrone und/oder der Elektrodenkessel wird weiter mit der eingestellten oder geringerer Leistung betrieben oder abgeschaltet, während die Gegendruckturbine durch Öffnen des regelbaren Ventils ihre Leistung innerhalb kürzester Zeit erhöht.
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Die Energieaufnahme des Dampfgefällespeichers aus dem Stromnetz übersteigt im Leerlaufbetrieb somit die Energieeinspeisung der Gegendruckturbine in das Stromnetz. Besonders bevorzugt ist die Energieentnahme aus dem Dampf-Gefällespeicher durch die Dampfturbine dabei deutlich geringer als die Energiezufuhr in den Dampf-Gefällespeicher aus dem Stromnetz. Dies ermöglicht vorteilhaft die Wiederaufladung des Dampf-Gefällespeichers im Leerlaufbetrieb.
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Vorteilhaft ist auch aus dem Leerlaufbetrieb innerhalb von 30 s positive oder negative Regelleistung vom aufgeladenen Dampf-Gefällespeicher abrufbar.
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Das Wesen der Primärregelung (PRL) liegt darin, dass innerhalb von 30 s Primärregelleistung für maximal 15 Minuten abgerufen werden kann, dann übernimmt die sogenannte Sekundärregelung den Stabilitätsausgleich im elektrischen Netz. Vorteilhaft wird eine Über- bzw. Unterladung des Speichers während der Zeit der Regelenergielieferung durch entsprechende Dimensionierung des Speichers ausgeschlossen. Der permanente Betrieb im Leerlauf, sichert aufgrund der stets durchgewärmten Turbine die ständige Betriebsbereitschaft der im erfindungsgemäßen Verfahren genutzten Anlage. Nach dem Regelenergieabruf wird der Dampf-Gefällespeicher wieder auf einen Speicherstand gebracht, der einen erneuten Abruf von Primärregelleistung zulässt.
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In einer besonders bevorzugten Verfahrensweise wird im Leerlauf- und im Regelbetrieb Wärme aus dem Abdampf der Turbine in ein Fernheiznetz eingespeist. Der Wirkungsgrad des Verfahrens wird weiter erhöht, indem die Wärme des Abdampfs der Gegendruckturbine zur Ausnutzung der Enthalpie des Dampfes vorzugsweise in ein Fernwärmenetz eingekoppelt wird. Um vorteilhaft eine weitere Möglichkeit der bedarfsgerechten Energie-entnahme aus dem Dampf-Gefällespeicher bereitzustellen, ist die Wärmeauskopplung vorzugsweise regelbar ausgestaltet. Das kondensierte Wasser wird bevorzugt in einem Speisewasserbehälter zwischengelagert und beim Laden bevorzugt ohne Zwischenlagerung direkt dem Gefällespeicher oder Entspannungsverdampfer über eine Speisepumpe und nach einer Wärmezufuhr wieder zugeführt.
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Die Aufladung des Dampf-Gefällespeichers erfolgt bevorzugt über die Leistungsdifferenz im Leerlaufbetrieb, wenn die Leistungsaufnahme der elektrischen Heizelemente die Leistungseinspeisung ins Stromnetz durch den Generator übersteigt, wobei die Differenz die Summe der Verluste übersteigt. Die zur Wiederaufladung notwendige Zeit hängt dabei vom Betrag der Leistungsdifferenz ab. Die Aufladung des Dampf-Gefällespeichers erfolgt ebenfalls bei jedem Abruf negativer Regelleistung im Regelbetrieb. Weiterhin bevorzugt ist eine zusätzliche Leistungsaufnahme der elektrischen Heizelemente aus dem Stromnetz während des Leerlaufbetriebs. Dieser intermittierende Betrieb erfolgt bevorzugt, wenn die Strompreise niedrig sind, bspw. in Folge tageszeitlich oder jahreszeitlich schwankender Stromnachfrage.
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In einer ebenfalls bevorzugten Verfahrensweise wird der Dampf-Gefälle-speicher zusätzlich fossil befeuert. Dies erlaubt vorteilhaft eine schnellere Regeneration des Dampf-Gefällespeichers und somit eine hochfrequente Entnahme positiver Regelleistung. Besonders bevorzugt wird die fossile Befeuerung der elektrischen Heizung in Zeiten besonders hoher erwarteter oder tatsächlicher Leistungsentnahme aus dem Stromnetz zugeschaltet, insbesondere dann, wenn keine Zeiten mit niedrigen Strompreisen (Beladung des Speichers) vorausgingen.
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Bei einem zeitlichen Versatz zwischen Be- und Entladung des Dampf-Gefällespeichers tritt bevorzugt ein maximaler Verlust von 5% der ursprünglich beladenen Wärme pro Tag auf. Das erfindungsgemäße Verfahren erlaubt somit vorteilhaft die kurz- bis mittelfristige Speicherung thermischer Energie im Dampf-Gefällespeicher. Mit dem Wärmeeintrag über elektrische Heizelemente und dem Wärmeaustrag über eine Gegendruckturbine mit Generator kann so vorteilhaft mittelbar elektrische Energie gespeichert werden. Das Speichergefäß ist thermisch sehr gut isoliert, um vorteilhaft die kurz- bis mittelfristige Speicherung der Wärme zu ermöglichen.
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Die Leistung der Gegendruck- oder Sattdampfturbine ist im erfindungsgemäßen Verfahren nach unten durch die minimale Einspeiseleistung ins Stromnetz und nach oben durch den maximalen Dampfdurchsatz der Turbine begrenzt. Die Untergrenze ist insbesondere für den Leerlaufbetrieb von Bedeutung und beträgt besonders bevorzugt höchstens 10% der maximalen Turbinenleistung. Die Schluckrate der Turbine bezeichnet den maximalen, durch diese, ohne Schäden, hindurchführbaren Volumenstrom. Ober und Untergrenze der erfindungsgemäß lieferbaren positiven Regelleistung werden somit durch die Turbine bestimmt.
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Weiterhin vorteilhaft wird im erfindungsgemäßen Verfahren negative Regelleistung und/oder weitere elektrische Leistung aus dem Verbundnetz in überhitztem Wasser oder Dampf im Dampf-Gefällespeicher gespeichert und positive Regelleistung mit Trocken- oder Sattdampf als Arbeitsmedium erzeugt. Erfindungsgemäß wird Wasser somit als Speicher- und als Arbeitsmedium verwendet. Im Gegensatz zu bekannten Verfahren kann daher auf Wärmetauscher verzichtet werden, was die Dynamik des erfindungsgemäßen Systems deutlich erhöht. Gegenüber der Speicherung von Energie in latenter Wärme ermöglicht die Nutzung von Dampf als Arbeits- und Wasser im Siedezustand als Speichermedium eine weitere Reduzierung der Ansprechzeiten des Systems.
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Ebenfalls Gegenstand der Erfindung ist eine Anordnung zur Bereitstellung von positiver und negativer Regelleistung, insbesondere Primär- und Sekundärregelleistung, aufweisend einen Dampf-Gefällespeicher, ein regelbares Ventil und eine Gegendruck- oder Sattdampfturbine, wobei der Dampf-Gefällespeicher über ein regelbares Ventil mit der Turbine und die Turbine mit einem Generator und einem Wärmeübertrager verbunden ist.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung ermöglicht vorteilhaft die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens. Dafür ist die direkte Verbindung des Dampf-Gefällespeichers mit der Turbine über ein regelbares Ventil maßgeblich. Dies erlaubt den Verzicht auf einen zusätzlichen Wärmetauscher, erhöht somit die Dynamik des Systems und ermöglicht die Bereitstellung positiver Regelenergie. Bei dem regelbaren Ventil handelt es sich vorzugsweise um ein Stetigventil, besonders bevorzugt um ein Regelventil.
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Vorteilhaft erlaubt der erfindungsgemäß mit der Turbine verbundene Wärmetauscher eine Nutzung der im Regelbetrieb anfallenden Wärme der Turbine in Heiznetzen, insbesondere der Enthalpie des Abdampfes. Die erfindungsgemäße Anlage erlaubt somit einen hohe Energiekonversion bei gleichzeitig geringen Baukosten. Beim schnellen Hochfahren der Anlage im Regelbetrieb ist eine optimale Nutzung der Wärmeenergie jedoch nicht unverzüglich gegeben. Besonders in den ersten Minuten ist der Anteil an nicht umgesetzter Wärmeenergie höher als der Anteil der verstromten Energie.
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Erfindungsgemäß ist der Dampf-Gefällespeicher über eine Zuleitung mit einem Elektrodenkessel verbunden und/oder im Dampf-Gefällespeicher selbst sind elektrische Heizpatronen angeordnet. Diese erlauben einen nahezu sofortige Erhitzung von Wasser und somit die Bereitstellung negativer Regelleistung.
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Vorteilhaft ist ein Elektrodenkessel zur Erhitzung des Gefällespeichers vorgesehen, der als Dampf- oder Heißwasserkessel ausgebildet ist. Gängige Elektrodenkessel können bis mehrere 100 MW Heizleistung bereitstellen und sind bei hohem Druck voll funktionsfähig. Besonders vorteilhaft ist die Schnellstartfähigkeit der Elektrodenkessel, die innerhalb von weniger als 30 s auf Höchstlast gefahren werden und somit vorteilhaft zur Bereitstellung negativer Regelleistung eingesetzt werden können. Ein vorteilhafter Elektrodenkessel ist bspw. aus der
EP 0250889 A1 bekannt, auf die hier vollumfänglich Bezug genommen wird.
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Mit der Anordnung elektrischer Heizpatronen im Dampf-Gefällespeicher kann vorteilhaft auf eine Zuleitung zum Speicher und einen zusätzlichen Kessel verzichtet werden. Dies erhöht ebenfalls die Dynamik des Systems und ist insbesondere für schnelle Wechsel im Regelbetrieb geeignet.
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Bevorzugt ist der Pufferspeicher auch über eine Zuleitung zusätzlich mit einem fossil befeuerten Kessel und/oder einem Braunkohlestaubkessel verbunden. Somit kann auch die kurzfristige Bereitstellung positiver Regelleistung sichergestellt werden, wenn eine zusätzliche Leistungsaufnahme aus dem Stromnetz zu Heizzwecken nicht wirtschaftlich ist.
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Der Dampf-Gefällespeicher ist vorzugsweise nach Ruths oder als heißwasserbeladbarer Entspannungsverdampfer ausgebildet. Ein Ruths-Speicher wird stets mit Dampf beladen, ein Entspannungsverdampfer mit Heizwasser entsprechender Temperatur. Die Besonderheit der Anordnung besteht darin, dass der Gefällespeicher oder Entspannungsverdampfer mittels elektrischer Heizpatronen, die bevorzugt direkt im Speicherbehälter angeordnet sind bzw. einem Elektrodenkessel, kontinuierlich auf dem erforderlichen Dampfdruck gehalten wird. Der Elektrodenkessel kann sowohl für die Lieferung von Heißwasser als auch für die Dampfherstellung ausgelegt sein. Additiv oder alternativ ist eine Wärmezufuhr an das Inhaltswasser des Gefällespeichers oder Entspannungsverdampfers auch durch fossile Feuerung, bspw. mittels Erdgas oder Braunkohlestaub, möglich. Weiterhin bevorzugt kann mit der erfindungsgemäßen Anordnung die Wärme über einen Wärmeübertrager regelbar in ein Fernheiznetz eingekoppelt werden.
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Weiterhin bevorzugt weist der Dampf-Gefällespeicher einen thermisch gut isolierten Speicherbehälter auf. Je besser die thermische Isolierung des Speicherbehälters ist, desto länger kann mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung thermische Energie gespeichert werden und umso größer ist deren Pufferwirkung. Vorzugsweise ist der Speicherbehälter mit einer evakuierten Doppelaußenwand versehen und aus gut wärmeisolierenden Materialien gebildet. Der Speicherbehälter ist bevorzugt so dimensioniert, dass eine vollständige Entladung des Pufferspeichers in einem 15 min-Intervall zur Bereitstellung positiver Regelleistung praktisch nicht möglich ist.
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Ebenfalls bevorzugt ist dem Dampf-Gefällespeicher und der Gegendruckturbine ein Überhitzer zwischengeschaltet. Dieser erlaubt die Ausnutzung der thermischen Energie des Turbinenabdampfs zur Vorwärmung des Dampfs auf Frischdampftemperatur.
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Vorteilhaft ist die erfindungsgemäße Anordnung konstruktiv sehr einfach und aus bereits bekannten und erprobten Systemkomponenten aufgebaut. Damit ist diese und somit das erfindungsgemäße Verfahren sofort großtechnisch einsetzbar. Durch die Speicherung regenerativ erzeugten Stroms im Gefällespeicher oder Entspannungsverdampfer ist die dargestellte Regelleistung praktisch als erneuerbare Energie zu betrachten. Auch die dem Fernheiznetz zugeführte Wärme erfüllt hierdurch höchste ökologische Ansprüche. Durch die Verwendung bekannter und standardisierter Systembausteine ist die erfindungsgemäße Lösung kostengünstiger als bspw. die Regelleistungsdarstellung über elektrische Speicher, wie Lithium-Ionen-Batterien oder Redox-Flow-Speicher, insbesondere im Hinblick auf die speicherbare Energiemenge. Die Anordnung ist auch in kleiner Baugröße in jedem Fernheiznetz ausreichender Größe zu implementieren. Die Anordnung ist dezentralisierbar und auch skalierbar. Durch die relativ kleine Baugröße ist die Kapitalbindung im Einzelfall relativ gering, was einer flächenhaften Durchdringung sehr zuträglich ist.
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Die Anordnung kann prinzipiell nachträglich in jeden Dampfkraftprozess eingefügt werden. Das erfordert lediglich die Integration eines Elektrodenkessels oder einer elektrisch betriebenen Widerstandsheizung und den Bau geeigneter Speicherbehälter. Hierdurch ist insbesondere eine deutlich verbesserte Wirtschaftlichkeit gegenüber Heißwasserspeichern ohne Stromauskopplung gegeben.
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Es handelt sich somit um eine robuste, günstige und auch langlebige Technologie, wobei mittlere Laufzeiten von 15.000 Vollzyklen und Standzeiten bis zu 20 Jahren erreichbar sein sollten.
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Ebenfalls Gegenstand der Erfindung ist die Verwendung einer Anordnung zur Bereitstellung von positiver und negativer Regelleistung, insbesondere von Primär- und Sekundärregelleistung, für ein Stromnetz.
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Ein weiterer Gegenstand der Erfindung ist die Verwendung einer Anordnung zur Bereitstellung von positiver und negativer Regelleistung, insbesondere von Primär- und Sekundärregelleistung, zur kurz- bis mittelfristigen Speicherung von thermischer Energie.
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Im Folgenden wird die Erfindung anhand von zwei Ausführungsbeispielen und Figuren näher erläutert, ohne die Erfindung auf diese beschränken zu wollen. Dabei zeigen:
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1: eine erfindungsgemäße Vorrichtung, aufweisend einen Entspannungsverdampfer, einen Gefällespeicher und eine Gegendruckturbine,
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2: eine erfindungsgemäße Vorrichtung, aufweisend einen Gefällespeicher, eine Gegendruckturbine und einen Überhitzer.
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Die in 1 gezeigte erfindungsgemäße Anordnung weist eine Sattdampfgegendruckturbine 3 mit einer kleinen Leistung von 1.800 kW, einem Eintrittsdruck von 20 bar und einem Gegendruck von 2 bar auf. Die Sattdampfgegendruckturbine ist über ein regelbares Ventil 2 mit einem Dampf-Gefällespeicher 1 verbunden. Der maximale Speicherdruck des Speichergefäßes 8 des Dampf-Gefällespeichers 1 beträgt in der gezeigten Anordnung 30 bar. Der Gefällespeicher 1 wird über elektrische Heizpatronen 6 und im Bedarfsfall additiv über einen fossilen befeuerten Kessel 7 geladen.
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Bei einem notwendigen Speichervolumen des Speichergefäßes 8 von 80 m3 und einer Speicherentladung von bis zu 20 bar beträgt die Turbinenleistung während des Regelbetriebes, also der Einspeisung ins Netz, über 15 min ca 1.800 kW. Der Gegenstromturbine 3 ist weiterhin ein Wärmetauscher 4 zur Wärmeauskopplung aus dem Turbinenabdampf in ein Fernheiznetz 5 nachgeschaltet. Die Fernwärme-Einspeiseleistung beträgt bei der vorliegenden Anordnung 11.600 kW in 15 min.
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Der die Turbine 3 verlassende Dampf und/oder das die Turbine 3 verlassende Wasser wird mittels der Speisepumpe 9 den elektrischen Heizpatronen 6 und ggf. additiv dem fossil befeuerten Kessel 7 zugeführt, dort erhitzt und anschließend erneut zur Aufladung des Dampf-Gefällespeichers 1 genutzt. Das Aufladen des Speichers 1 auf Maximaldruck erfordert regenerativ erzeugte elektrische Arbeit von ca. 2.100 kWh.
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Die in 2 gezeigte Anordnung entspricht der in der 1 gezeigten, mit der Ausnahme, dass der aus dem Speicher 1 entnommene Sattdampf im Überhitzer 10, bspw. durch Dampf aus einer Kesselanlage 7 oder die Abgase einer gleichzeitig in Betrieb genommenen Gasturbine, bis auf Frischdampftemperatur erwärmt wird. Die Gegendruckturbine 3 mit Überhitzung 10 auf der Basis fossiler Energieträger oder in einem anderen geeigneten Speicher zwischengelagerte Überhitzungswärme weist einen Frischdampfdruck von 100 bar, eine Frischdampftemperatur von 500°C, einen Gegendruck von 2 bar und eine Dampfturbinenleistung von 25 MW auf.
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Bei einem Speichervolumen des Speichergefäßes 8 von ca. 400 m3 und einem maximalen Speicherdruck von 125 bar ist bei Regelbetrieb der Gegendruckturbine nebst Generator 3 innerhalb von 15 min die erwartete Dampfturbinenleistung von 25 MW abgebbar. Die über den Wärmeübertrager 4 ins Fernheiznetz 5 zu übertragene Wärmeleistung beträgt in diesem Fall ca. 80 MW und die Leistung des Überhitzers 10 ca. 25 MW. Zum Wiederaufladen des Gefällespeichers 1 mittels Speisepumpe und der elektrischen Heizpatronen 6 sowie ggf. dem fossil befeuerten Kessel 7 ist eine regenerativ erzeugte elektrische Arbeit von ca. 12 MWh notwendig.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Gefällespeicher
- 2
- regelbares Ventil
- 3
- Gegendruckturbine mit Generator
- 4
- Wärmeübertrager
- 5
- Fernheiznetz
- 6
- elektrische Heizpatronen/Elektrodenkessel
- 7
- fossil befeuerter Kessel
- 8
- Speichergefäß
- 9
- Speisepumpe
- 10
- Überhitzer
