DE102015204458B4

DE102015204458B4 - Gasexpansionsanlage sowie Verfahren zur Verwendung einer solchen Gasexpansionsanlage

Info

Publication number: DE102015204458B4
Application number: DE102015204458.0A
Authority: DE
Inventors: Jürgen Grönner; Ulrich Dirkmann; Florian Lindner
Original assignee: RWE Deutschland AG
Current assignee: RWE Deutschland AG
Priority date: 2015-03-12
Filing date: 2015-03-12
Publication date: 2023-01-12
Anticipated expiration: 2035-03-13
Also published as: DE102015204458A1

Abstract

Gasexpansionsanlage (6) in einem Gasleitungssystem mit einem nutzbaren Druckgefälle mit wenigstens einer Gasentspannungsmaschine (7), die unter Erzeugung von mechanischer Arbeit Gas aus einer Gasleitung (1) von einem ersten höheren Gasdruck (p1) auf einen zweiten geringeren Gasdruck (p2) entspannt, mit einer Einrichtung zur Vorwärmung des zu entspannenden Gases, die eine erste elektrische Heizeinrichtung (12) umfasst, wobei die erste elektrische Heizeinrichtung (12) unter Ausnutzung einer elektrischen Betriebsspannung aus einem Stromnetz (10) betreibbar ist, wobei die Einrichtung zur Vorwärmung des Gases weiterhin eine zweite Heizeinrichtung umfasst, wobei die zweite Heizeinrichtung unter Ausnutzung der Verbrennungswärme des Gases betreibbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung zur Vorwärmung des zu entspannenden Gases einen Wärmespeicher (13) umfasst, dass die zweite Heizeinrichtung als Gastherme (16) ausgebildet ist und dass die Gastherme (16) und die erste elektrische Heizeinrichtung (12) an den Wärmespeicher (13) angeschlossen sind.

Description

Die Erfindung betrifft eine Gasexpansionsanlage in einem Gasleitungssystem mit einem nutzbaren Druckgefälle mit wenigstens einer Gasentspannungsmaschine, die unter Erzeugung von mechanischer Arbeit Gas aus einer Gasleitung von einem ersten höheren Gasdruck auf einen zweiten geringeren Gasdruck entspannt und mit einer Einrichtung zur Vorwärmung des zu entspannenden Gases.
Grundsätzlich sind Gasexpansionsanlagen in Gasleitungssystemen mit nutzbarem Druckgefälle bekannt. Eine so genannte Hochtemperatur-GasExpansionsanlage wird beispielsweise in der DE 44 16 359 A1 beschrieben. Darüber hinaus ist allerdings auch eine Gasexpansion im Bereich niedriger Temperatur bekannt, wobei das Gas vor der Entspannung üblicherweise vorgewärmt wird, um Taupunktunterschreitungen des Gases innerhalb der Gasleitungen zu vermeiden. Grundsätzlich geht die verbrennungsfreie Entspannung des Gases in üblichen Expansionsmaschinen oder mittels Entspannungsventilen mit einer Wärmeaufnahme aus der Umgebung aufgrund des Joule-Thomson-Effektes einher.
Nicht immer wird in Gasleitungssystemen das vorhandene Druckgefälle des Gases zwecks Erzeugung von mechanischer Arbeit und Umsetzung der Arbeit in elektrischem Strom genutzt, vielmehr sind in Gasleitungssystemen von Gasnetzbetreibern häufig sogenannte Gas-Druckregelanlagen (GDR) bei ein- oder mehrstufiger Gasdruckreduzierung mittels einfachem Gasdruckregler beziehungsweise mittels einfacher Ventile vorgesehen, die keine energetische Nutzung des Druckgefälles vorsehen.
Die DE 44 16 359 A1 beschreibt eine mehrstufige Hochtemperatur-Gasexpansionsanlage, die an einer Schnittstelle eines Gasfernleitungsnetzes zu nachgeordneten Netzen vorgesehen ist und damit ein verhältnismäßig großes Druckgefälle energetisch ausnutzen kann. Das zu entspannende Gas wird dabei über einen oder mehrere brennstoffbefeuerte Wärmeerzeuger erhitzt. Alternativ wird in der DE 44 16 359 A1 vorgeschlagen, die Abhitze einer vorgeschalteten Gasturbine oder aus einem heißgekühlten Blockheizkraftwerk zur Gasvorwärmung zu verwenden.
Eine solche Anlage ist allerdings mit dem Nachteil behaftet, dass der Betrieb bei verhältnismäßig geringer Last im Stromnetz, das heißt bei einem Stromüberangebot gegebenenfalls unwirtschaftlich ist. Insbesondere wegen des verhältnismäßig hohen Anteils an Strom aus sogenannten volatilen Energiequellen (Solarstrom, Windstrom) kann es häufig zu einem Überschussangebot an elektrischem Strom kommen. In diesen Phasen ist eine Bereitstellung an elektrischer Energie durch Gasentspannung unter Aufwendung von zusätzlicher Energie für die Vorwärmung aus fossilen Energieträgern wie beispielsweise aus dem Brenngas nicht wirtschaftlich.
Aus der US 2010/0043439 A1 ist eine Gasexpansionsanlage nach Oberbegriff von Anspruch 1 bekannt. Weiterer Stand der Technik ist aus den Veröffentlichungen DE 26 15 439 A1 , US 2004/0148922 A1 und DE 10 2010 027 302 A1 bekannt.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Gasexpansionsanlage der eingangs genannten Art bereitzustellen, die grundsätzlich einen wirtschaftlicheren und flexibleren Einsatz ermöglicht.
Die Aufgabe wird gelöst mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Die Aufgabe wird weiterhin gelöst mit den Merkmalen des Anspruchs 8. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens gemäß Anspruch 9 ergeben sich aus den auf Anspruch 8 zurückbezogenen Ansprüchen.
Nach einem Gesichtspunkt der Erfindung ist eine Gasexpansionsanlage in einem Gasleitungssystem mit einem nutzbaren Druckgefälle mit wenigstens einer Gasentspannungsmaschine vorgesehen, die unter Erzeugung von mechanischer Arbeit Gas aus einer Gasleitung von einem ersten höheren Gasdruck auf einen zweiten geringeren Gasdruck entspannt, mit einer Einrichtung zur Vorwärmung des zu entspannenden Gases, wobei die Einrichtung zur Vorwärmung des zu entspannenden Gases eine elektrische Heizeinrichtung und einen Wärmespeicher umfasst, der mit der elektrischen Heizeinrichtung beladbar ist, und die elektrische Heizeinrichtung unter Ausnutzung einer elektrischen Betriebsspannung aus einem Stromnetz betreibbar ist. Die Gasexpansionsanlage gemäß der Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass die Einrichtung zur Vorwärmung des zu entspannenden Gases einen Wärmespeicher umfasst, dass die zweite Heizeinrichtung als Gastherme ausgebildet ist und die Gastherme und die erste elektrische Heizeinrichtung an den Wärmespeicher angeschlossen sind.
Auf diese Art und Weise lässt sich die Gasentspannungsanlage auch als Speichereinrichtung für elektrischen Strom aus einem Stromnetz betreiben. Bei einem Überangebot von elektrischem Strom im Stromnetz würde die Gasentspannungsmaschine nicht betrieben, in diesen Phasen kann eine Beladung des Wärmespeichers erfolgen, wohingegen bei geringer Netzlast ein Betrieb der Gasentspannungsmaschine vorgesehen ist, die beispielsweise einen Generator treibt und über diesen Strom in das Stromnetz einspeist. Dabei kann die zur Gasvorwärmung erforderliche Wärme aus der Entladung des Wärmespeichers aufgebracht werden. Hierdurch können die Wärmegestehungskosten beachtlich gesenkt werden, ohne die im Gasnetz zur Verfügung stehende Gasbezugsmenge vermindern zu müssen.
Die Gasentspannungsanlage gemäß der Erfindung kann somit sowohl Strom beziehen als auch an das Stromnetz abgeben. Eine „Speicherung“ des Stroms erfolgt wärmebasiert.
Eine Gasentspannungsmaschine im Sinne der vorliegenden Erfindung ist vorzugsweise eine solche Gasentspannungsmaschine, die das Druckgefälle des Gases aus einem Gasleitungssystem verbrennungsfrei nutzt.
Das Gasleitungssystem gemäß der Erfindung ist beispielsweise ein Erdgasversorgungssystem.
Die Gasexpansionsanlage gemäß der Erfindung kann beispielsweise an der Schnittstelle eines Gasfernleitungsnetzes zu einem nachgeordneten Verteilnetz vorgesehen sein.
Die erste Heizeinrichtung beziehungsweise elektrische Heizeinrichtung kann unmittelbar an dem Wärmespeicher angeschlossen sein und zur Beladung des Wärmespeichers unter Strombezug aus einem Stromnetz ausgebildet sein.
Die Gasentspannungseinrichtung kann beispielsweise als Gasturbine oder als Gasmotor ausgebildet sein und einen Generator treiben, der elektrischen Strom in ein Stromnetz einspeist.
Die Gasentspannungsmaschine kann als Kolbenexpansionsmaschine, als Radial- oder Axialturbine oder auch als Schraubenexpander ausgebildet sein.
Bei einer zweckmäßigen Variante der Gasexpansionsanlage gemäß der Erfindung ist vorgesehen, dass die Gasentspannungsmaschine und die Einrichtung zur Vorwärmung des zu entspannenden Gases an eine Gas-Druckregelanlage oder an eine Gas-Druckregelmessanlage mit einer Einrichtung zur Druckreduzierung des Gases angeschlossen sind. Die Gasexpansionsanlage kann beispielsweise vor einer Gas-Druckregelanlage an das Gasleitungssystem angeschlossen sein, so dass ein Teilstrom vor der regulären Druckreduzierung aus der Gasleitung zwecks Energieerzeugung unter Ausnutzung des Druckgefälles abgezweigt werden kann.
Bei einer Variante der Gasexpansionsanlage gemäß der Erfindung ist vorgesehen, dass die Gasexpansionsmaschine in einer Überbrückungsleitung der Gas-Druckregelanlage oder in einer Überbrückungsleitung der Einrichtung zur Druckreduzierung angeordnet ist.
Alternativ kann allerdings auch vorgesehen sein, das zu entspannende Gas vor der Gas-Druckregelanlage aus der Gasleitung abzuzweigen und das entspannte Gas ebenfalls vor der Gas-Druckregelanlage zurückzuspeisen. Diese Anordnung trägt dem Umstand Rechnung, dass die Gasentspannungsmaschine unter Umständen nicht das gesamte zur Verfügung stehende Druckgefälle nutzen kann, das zwischen einem Gasfernleitungsnetz und den nachgeordneten Netzen zur Verfügung steht.
Bei einer zweckmäßigen Variante der Gasexpansionsanlage gemäß der Erfindung ist der Wärmespeicher als Wasserspeicher beziehungsweise als Warmwasserspeicher ausgebildet. Grundsätzlich kann der Wärmespeicher allerdings auch als sogenannter Latentwärmespeicher mit einem schmelzbaren Wärmeträger, beispielsweise einem Parafin oder als Metallhydrid-Speicher ausgebildet sein.
Ein weiterer Gesichtspunkt der Erfindung betrifft ein Verfahren zur Verwendung einer Gasexpansionsanlage der vorstehend beschriebenen Art umfassend die Entspannung wenigstens eines Teilstroms an Gas als Gasstrom aus einem Gasleitungssystem von einem ersten höheren Gasdruck auf einen zweiten niedrigeren Gasdruck unter Erzeugung elektrischer Energie, ein Einspeisen der elektrischen Energie in ein Stromnetz und eine Vorwärmung des zu entspannenden Gasstroms durch Entnahme von Wärme aus dem Wärmespeicher, wobei das Verfahren eine Beladung des Wärmespeichers durch einen Betrieb der elektrischen Heizeinrichtung bei geringer Last des Stromnetzes beziehungsweise bei einem Stromüberangebot im Stromnetz, und eine Entleerung des Wärmespeichers bei hoher Last des Stromnetzes vorsieht.
Bei dem Verfahren ist vorgesehen, dass die erste Heizeinrichtung mit Netzspannung aus dem Stromnetz betrieben wird.
Ein Teilstrom des Gases, welches beispielsweise als Erdgas einem Erdgasnetz entnommen wird, wird zweckmäßigerweise in Strömungsrichtung vor einer Gas-Druckregelanlage aus dem Gasleitungsnetz entnommen und nach der Entspannung vor oder hinter der Gas-Druckregelanlage in das Gasleitungsnetz zurückgespeist. Die Entspannung des Gases erfolgt zweckmäßigerweise verbrennungsfrei, das heißt ohne Nutzung des Brennwertes des Gases.
Der Wärmespeicher kann erfindungsgemäß entweder zur Nutzung eines Stromüberangebots im Stromnetz oder zur Bereitstellung von Regelenergie benutzt werden. Letztere Verfahrensvariante umfasst die Bereitstellung einer zusätzlichen Netzlast durch einen ohmschen Verbraucher in Form einer elektrisch betriebenen Heizeinrichtung, wenn eine Regelung eines Stromüberangebotes im elektrischen Netz zwecks Herstellung eines Gleichgewichts zwischen Netzeinspeisung und Netzlast erforderlich ist.
Die Erfindung wird nachstehend anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels erläutert. Die Figur zeigt eine schematische Ansicht eines Ausführungsbeispiels einer Gasexpansionsanlage in einem Gasleitungssystem mit einer Gas-Druckregelanlage. Die Darstellung ist in üblicher Art und Weise als Blockschaltbild ausgeführt.
Mit dem Bezugszeichen 1 ist eine Gasleitung als Erdgasleitung eines GasFernleitungsnetzes bezeichnet. In der Gasleitung 1 ist eine Gas-Druckregelanlage 2 angeordnet, die beispielsweise als sogenannte GRDM (Gas-Druckregel- und Messanlage) ausgebildet ist. Diese umfasst zwei in der Gasleitung 1 angeordnete Mengenventile 3, über welche das Gas von einem ersten höheren Betriebsdruck p1 auf einen zweiten niedrigeren Betriebsdruck p2 entspannt wird. Die Gas-Druckregelanlage umfasst weiterhin zwei Gasthermen 4, in welchen das Erdgas aus der Gasleitung 1 mit dem Betriebsdruck p2 thermisch umgesetzt wird. Die Gasthermen 4 sind an einen geschlossenen Wärmeträgerkreislauf 5 angeschlossen, über welchen eine Vorwärmung des Gases/Erdgases vor den Mengenventilen 3 erfolgt.
Insoweit ist die gezeigte Anordnung Stand der Technik.
Parallel zu der Gas-Druckregelanlage ist die erfindungsgemäße Gasexpansionsanlage 6 an die Gasleitung 1 angeschlossen. Die Gasexpansionsanlage 6 umfasst eine Gasentspannungsmaschine 7, die einen Generator 8 treibt. Die Gasentspannungsmaschine 7 kann beispielsweise als Kolbenexpansionsmaschine ausgebildet sein. Der Generator 8 speist elektrischen Strom über eine Einspeiseleitung 9 in ein elektrisches Stromnetz 10.
Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Gasentspannungsmaschine 7 in einer Überbrückungsleitung 11 vor und hinter den Mengenventilen 3 innerhalb der Gasleitung 1 angeordnet, so dass die Überbrückungsleitung 11 einerseits an die Gasleitung 1 im Bereich des Betriebsdrucks p1 und andererseits an die Gasleitung 1 im Bereich des Betriebsdrucks p2 angeschlossen ist. Das Ausführungsbeispiel unterstellt, dass die gesamte Druckdifferenz von p1 zu p2 wenigstens eines Teilstroms des aus der Gasleitung 1 entnommenen Gases über die Gasexpansionsanlage 6 einstufig abgebaut wird. Im Rahmen der Erfindung kann nur ein Teil des Druckgefälles genutzt werden. Weiterhin können mehrere Gasentspannungsmaschinen kaskadiert sein, so dass eine mehrstufige Nutzung der Druckdifferenz von p1 zu p2 erfolgt. Darüber hinaus kann eine Gasexpansionsmaschine mit mehreren Druckstufen vorgesehen sein.
Die Gasexpansionsanlage 6 umfasst weiterhin eine erste elektrische Heizeinrichtung 12, welche an einen Wärmespeicher 13 angeschlossen ist. Die erste elektrische Heizeinrichtung 12 bezieht ihre Betriebsspannung über eine elektrische Versorgungsleitung 14 aus dem Stromnetz 10. Die Spannungsversorgung der ersten elektrischen Heizeinrichtung 12 und der Einspeisestrom des Generators 8 werden getrennt erfasst und sind grundsätzlich unabhängig voneinander.
Der Wärmespeicher 13 kann beispielsweise als Warmwasserspeicher ausgebildet sein. Dieser liefert über einen geschlossenen Wärmeträgerkreislauf 15 Wärme an die Gasentspannungsmaschine 7 zwecks Vorwärmung des dort zu entspannenden Gases. Das Gas wird auf eine Temperatur vorgewärmt, die so hoch ist, dass gewährleistet ist, dass bei der Entspannung keine Taupunktunterschreitung stattfindet.
Auch die Gasexpansionsanlage umfasst aus Redundanzgründen eine Gastherme 16, welche über eine Gasversorgungsleitung 17 mit Gas auf einem Betriebsdruck p2 versorgt wird. Das Gas wird in der Gastherme 16 dort innerhalb eines Kessels verbrannt. Wärmeträgerkreislauf 15 des Wärmespeichers 13 und der Gasentspannungsmaschine 7 angeschlossen.
Wenn die Nachfrage an Strom innerhalb des Stromnetzes 10 hoch ist, erfolgt eine Gasvorwärmung bei der Expansion des Gases in der Gasentspannungsmaschine 7 über den Wärmeträgerkreislauf 15, der den Wärmespeicher 13 entleert. In dieser Nachfragephase ist zunächst ein Betrieb der elektrischen Heizeinrichtung 12 nicht vorgesehen. Bei verhältnismäßig geringer Stromnachfrage im Stromnetz wird die elektrische Heizeinrichtung 12 betrieben, diese lädt den Wärmespeicher 13 auf, was entkoppelt vom Betrieb der Gasexpansionsmaschine 7 stattfinden kann. In einem solchen Fall kann gegebenenfalls der Betrieb der Gasexpansionsmaschine 7 wegen eines Überangebots an Strom im Stromnetz 10 nicht sinnvoll sein.
Ist eine Nachfrage an Strom im Stromnetz 10 hoch und der Wärmespeicher 13 wurde bereits entleert, kann vorgesehen sein, eine Gasvorwärmung über die Gastherme 16 zu bewerkstelligen, die gegebenenfalls auch parallel ebenfalls den Wärmespeicher 13 laden kann.
Durch die parallele Anordnung der Gasexpansionsanlage 6 zu einer herkömmlichen Gas-Druckregelanlage 2 ist es bei einem Überangebot von Strom innerhalb des Stromnetzes auch möglich, eine Gasentspannung ausschließlich über die Gas-Druckregelanlage 2 zu betreiben. Dabei kann unter Umständen auch vorgesehen sein, den Wärmespeicher 13 zwecks Bereitstellung von Regelleistung im Stromnetz 10 aufzuladen.
Bezugszeichenliste

1: Gasleitung
2: Gas-Druckregelanlage
p1: erster höherer Betriebsdruck des Gases
p2: zweiter niedriger Betriebsdruck des Gases
3: Mengenventile
4: Gasthermen
5: Wärmeträgerkreislauf
6: Gasexpansionsanlage
7: Gasentspannungsmaschine
8: Generator
9: Einspeiseleitung
10: Stromnetz
11: Überbrückungsleitung
12: elektrische Heizeinrichtung
13: Wärmespeicher
14: elektrische Versorgungsleitung
15: Wärmeträgerkreislauf
16: Gastherme
17: Gasversorgungsleitung

Claims

Gasexpansionsanlage (6) in einem Gasleitungssystem mit einem nutzbaren Druckgefälle mit wenigstens einer Gasentspannungsmaschine (7), die unter Erzeugung von mechanischer Arbeit Gas aus einer Gasleitung (1) von einem ersten höheren Gasdruck (p1) auf einen zweiten geringeren Gasdruck (p2) entspannt, mit einer Einrichtung zur Vorwärmung des zu entspannenden Gases, die eine erste elektrische Heizeinrichtung (12) umfasst, wobei die erste elektrische Heizeinrichtung (12) unter Ausnutzung einer elektrischen Betriebsspannung aus einem Stromnetz (10) betreibbar ist, wobei die Einrichtung zur Vorwärmung des Gases weiterhin eine zweite Heizeinrichtung umfasst, wobei die zweite Heizeinrichtung unter Ausnutzung der Verbrennungswärme des Gases betreibbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung zur Vorwärmung des zu entspannenden Gases einen Wärmespeicher (13) umfasst, dass die zweite Heizeinrichtung als Gastherme (16) ausgebildet ist und dass die Gastherme (16) und die erste elektrische Heizeinrichtung (12) an den Wärmespeicher (13) angeschlossen sind.
Gasexpansionsanlage nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die erste Heizeinrichtung (12) an den Wärmespeicher (13) angeschlossen ist und zur Beladung des Wärmespeichers (13) unter Strombezug aus einem Stromnetz (10) ausgebildet ist.
Gasexpansionsanlage nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Gasentspannungsmaschine (7) als Gasturbine oder als Gasmotor ausgebildet ist und einen Generator (8) treibt, der elektrischen Strom in das Stromnetz (10) einspeist.
Gasexpansionsanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Gasentspannungsmaschine (7) als Kolbenexpansionsmaschine ausgebildet ist.
Gasexpansionsanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Gasentspannungsmaschine (7) und die Einrichtung zur Vorwärmung des zu entspannenden Gases an eine Gas-Druckregelanlage (2) mit einer Einrichtung zur Druckreduzierung des Gases angeschlossen ist.
Gasexpansionsanlage nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Gasentspannungsmaschine (7) in einer Überbrückungsleitung (11) der Einrichtung zur Druckreduzierung angeordnet ist.
Gasexpansionsanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmespeicher (13) als Wasserspeicher ausgebildet ist.
Verfahren zur Verwendung einer Gasexpansionsanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 7, umfassend die Entspannung wenigstens eines Teilstroms an Gas als Gasstrom aus einem Gasleitungssystem von einem ersten höheren Gasdruck (p1) auf einen zweiten niedrigeren Gasdruck (p2) unter Erzeugung elektrischer Energie, ein Einspeisen der elektrischen Energie in ein Stromnetz (10) und eine Vorwärmung des zu entspannenden Gasstroms durch Entnahme von Wärme aus dem Wärmespeicher (13), wobei das Verfahren eine Beladung des Wärmespeichers (13) durch einen Betrieb der elektrischen Heizeinrichtung (12) bei geringer Last des Stromnetzes (10) und eine Entleerung des Wärmespeichers (13) bei hoher Last des Stromnetzes (10) vorsieht.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Heizeinrichtung (12) mit Netzspannung aus dem Stromnetz (10) betrieben wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Teilstrom des Gases in Strömungsrichtung vor einer Gas-Druckregelanlage (2) aus dem Gasleitungsnetz entnommen wird und nach der Entspannung vor oder hinter der Gas-Druckregelanlage (2) in das Gasleitungsnetz zurückgespeist wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmespeicher (3) zwecks Bereitstellung zusätzlicher Nutzlast für das Stromnetz (10) betrieben wird.