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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb einer Kraftwerksanlage an Standorten mit zu geringer Brennstoffversorgung, sowie eine Kraftwerksanlage.
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Kraftwerksanlagen, insbesondere große Gaskraftwerke zur Stromerzeugung, müssen an Standorten errichtet werden, an denen eine ausreichende Versorgung durch Brennstoffe, insbesondere durch ein Brenngas wie Erdgas, sichergestellt ist. Dazu werden Gaskraftwerke in der Regel in der Nähe von großen Versorgungsleitungen, wie Erdgaspipelines (Fernleitungen) errichtet. Durch Erdgaspipelines wird das Erdgas über weite Strecken mit unterschiedlichen Gasmengen transportiert und verteilt. Diese Hochdruckpipelines haben in Deutschland einen Gasdruck von etwa 84 bar. Von den Fernleitungen zweigt ein engmaschiges regionales Niederdruckgasnetz bis hin zum Endverbraucher ab, dessen Gasdruck bei etwa 16 bar oder niedriger liegt.
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Gaskraftwerke können schnell angefahren und geregelt werden und werden daher häufig als Regel- und Spitzenlastkraftwerke (Peaker) eingesetzt. Die Gasmengen, die ein solches Gaskraftwerk verbraucht, sind somit häufig stark schwankend, was eine besondere Herausforderung an die Gasversorgung stellt, die den schwankenden Verbrauch an Erdgas kompensieren muss.
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Es ist bislang nicht möglich, in Gegenden, in denen keine ausreichend große Erdgasfernleitung vorhanden ist, und auch kein Anschluss an eine entferntere Erdgaspipeline möglich ist, große Gaskraftwerke zur Stromerzeugung zu errichten. Zwar ist es möglich, Erdgas zu verflüssigen, und auch in Tanks zu speichern, die beispielsweise durch Schwertransporte über Straßen oder Schienen angeliefert werden, jedoch dürfte ein solcher Transport nicht wirtschaftlich realisierbar sein.
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Weiterhin ist es in der Regel ebenso nicht möglich, große Gaskraftwerke zur Stromerzeugung nachträglich an das regionale Gasnetz anzuschließen, da die zur Verfügung stehende Gasmenge des bestehenden regionalen Netzes nicht für den Anschluss eines so großen Verbrauchers wie einem Gaskraftwerk ausreicht.
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Es ist Aufgabe der Erfindung ein Verfahren zum Betrieb einer Kraftwerksanlage anzugeben, welches es ermöglicht, auch eine große Kraftwerksanlage zur Strom- und/oder Fernwärmeerzeugung in Gegenden bauen zu können, in denen nur eine unzureichende Gasversorgung gegeben ist. Weiterhin ist es Aufgabe der Erfindung eine Kraftwerksanlage anzugeben, die in Gegenden mit unzureichender Gasversorgung betreibbar ist.
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Die auf ein Verfahren zum Betrieb einer Kraftwerksanlage gerichtete Aufgabe der Erfindung wird gelöst durch die Merkmale des Anspruchs 1, wobei die Kraftwerksanlage eine Gasturbine, eine Gasverflüssigungsanlage, einen Flüssiggasspeicher und einen Verdampfer umfasst. In einem ersten Betriebszustand, bei dem keine Leistung von der Kraftwerksanlage gefordert wird, wird Gas aus einer Versorgungsleitung der Gasverflüssigungsanlage (Liquefier) zugeführt und darin verflüssigt, wobei ein flüssiges Gas (LNG) gebildet wird, welches in dem Flüssiggasspeicher gespeichert wird. In einem zweiten Betriebszustand, bei dem Leistung von der Kraftwerksanlage gefordert wird, wird verflüssigtes Gas (LNG) aus dem Flüssiggasspeicher entnommen, in dem Verdampfer verdampft, und in gasförmigem Zustand dem Verbrennungsprozess der Gasturbine zugeführt.
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In dem ersten Betriebszustand wird von dem Kraftwerk keine Leistung gefordert. In diesem Zustand ist die Gasturbine entweder herunter gefahren oder wird mit geringer Leistung im Standby oder Low-Load gefahren, sie wird jedoch nicht im Nennlastbereich betrieben. In diesem Zustand reicht das Erdgas durch die Versorgungsleitung aus dem Erdgasnetz aus, um die Gasturbine bei geringer Leistung zu betreiben. In diesem Zustand wird kontinuierlich Gas aus der Versorgungsleitung der Gasverflüssigungsanlage zugeführt und verflüssigt, und in dem nachgeschalteten Flüssiggasspeicher gespeichert. Die Verflüssigung erfolgt mit Hilfe der Kompressionsenergie aus der Versorgungsleitung mittels integrierter Kälteturbine. Die Gasverflüssigungsanlage besteht aus einer Verdichterstation sowie aus „Liquefier-Cyro“-Apparaten, die miteinander derart verschaltet sind, dass das Gas in mehreren Stufen verdichtet und gekühlt wird. Das verflüssigte Gas, welches auch als Liquefied Natural Gas (LNG) bezeichnet wird, wird in einem Flüssiggasspeicher gespeichert. Die Speicherung kann kryogen unter Atmosphärendruck oder unter Druck erfolgen.
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Im zweiten Betriebszustand wird Leistung von der Kraftwerksanlage gefordert. Die Gasturbine wird in einem Nennlastbereich betrieben, bei dem der Verbrauch an Erdgas größer ist, als das Erdgas, welches durch die Versorgungsleitung bereitgestellt werden kann. In diesem Zustand wird Flüssiggas in dem Verdampfer verdampft und/oder gasförmiges Gas der Gasturbine zugeführt. Dabei kann die Gasturbine entweder ausschließlich mit dem rückverdampften Gas betrieben werden, oder mit einer Mischung aus Gas aus der Versorgungsleitung und rückverdampftem Gas. In dem Verdampfer wird das verflüssigte Gas wieder in die Gasphase überführt. Wenn die Speicherung des verflüssigten Gases (LNG) atmosphärisch gespeichert wird, muss das Gas wieder auf den für die Gasturbine erforderlichen Druck gebracht werden. Dazu ist eine zusätzliche Pumpe erforderlich.
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Die Erfindung geht einerseits von der Überlegung aus, dass es durch eine Zwischenspeicherung von Erdgas in Form von LNG möglich ist, Kraftwerke an Standorten errichten zu können, an denen es ansonsten nur eine unzureichende Gasversorgung für das Kraftwerk gibt.
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Der Brennstoff der Gasturbine wird im ersten Betriebszustand als LNG gespeichert. Damit stellt das System aus erstem und zweitem Betriebszustand einen Energiespeicher dar, der eine Entkopplung von Gasbezug und Strom- oder Fernwärmeerzeugungsbedarf ermöglicht.
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Besonders vorteilhaft ist dabei, dass durch den Gasturbinenbetrieb im zweiten Betriebszustand eine Leistungserhöhung erzielbar ist. Das LNG ist nämlich höherwertiger als das Erdgas aus der Versorgungsleitung, da Inertgas-Anteile wie Stickstoff oder Kohlendioxid und Schmutzstoffe bei der Flüssiggaserzeugung entfernt werden. Dies ermöglicht der Kraftwerksanlage in einem höheren Regelbereich ihre Leistung zu regeln.
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Durch die Möglichkeit Brennstoff zu speichern, kann der Kraftwerksbetreiber zudem bessere Kostenpositionen beim Einkauf des Gases erzielen, da der Gaslieferant keine Versorgungsausfälle garantieren muss.
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Die Kraftwerksanalage kann auch bei plötzlichen Ausfällen des Brennstoffs aus der Versorgungsleitung ohne Unterbrechung weiter betrieben werden, da das gespeicherte verflüssigte Gas ja systemtechnisch im Gasversorgungssystem der Gesamtanlage integriert ist. Durch die erfindungsgemäße Kraftwerksanlage ist somit die Verfügbarkeit nicht mehr direkt mit der Verfügbarkeit des Gasversorgungssystems gekoppelt und ist somit erheblich gesteigert. Die Kombination aus Gasturbine, Gasverflüssigungsanlage, Flüssiggasspeicher und Verdampfer kann als Energiespeicher verstanden werden.
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Bei einer vorteilhaften Weiterentwicklung des Verfahrens, wird im ersten Betriebszustand verdampftes Gas aus dem Speicher zurück in die Versorgungsleitung gespeist. Dadurch kann der Kraftwerksbetreiber dazu beitragen, entweder Druckschwankungen in der Versorgungsleitung auszugleichen, oder bei einem kompletten Versorgungsausfall andere angeschlossene Verbraucher, die ebenfalls von dem Versorgungsausfall betroffen sind, mit Gas zu versorgen. Der Kraftwerksbetreiber kann das LNG auch zu anderen Zwecken entnehmen und verkaufen. Dies ermöglicht dem Kraftwerksbetreiber zusätzliche Einnahmen.
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Da die Gasverflüssigungsanlage verhältnismäßig klein ausfallen kann, werden der Verdichter und der Kühler mit elektrischem Strom betrieben, der in der Kraftwerksanlage erzeugt wird. Die erfindungsgemäße Kraftwerksanlage grenzt sich dadurch von reinen LNG-Anlagen mit angeschlossenem Kraftwerk ab, da bei diesen die Gasverflüssigungsanlage mit zusätzlichen Gasturbinen angetrieben wird. Bei der Erfindung ist die Größe der Gasverflüssigungsanlage, also der Menge an Gas, die durch die Gasverflüssigungsanlage pro Zeiteinheit verflüssigt werden kann, vorzugsweise in Abhängigkeit der Versorgungsleistung des Gasnetzes, dimensioniert. Dabei wird die Gasverflüssigungsanlage so klein wie möglich ausgelegt, damit einerseits die Investitionskosten für die Gasverflüssigungsanlage, und andererseits die elektrische Leistung, die von der Kraftwerksanlage zur Verflüssigung des Gases bereitgestellt werden muss, so minimal wie möglich sind. Die erfindungsgemäße Gasverflüssigungsanlage ist so ausgelegt, dass sie bezogen auf den Gesamtgasverbrauch der Gasturbine nur einen kleinen Teil abzieht und verflüssigt. Dieser kleine Teil entspricht üblicherweise mindestens 5% und hängt im Wesentlichen von den erforderlichen Betriebszeiten und der Gasqualität ab.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Weiterentwicklung der Erfindung wird im ersten Betriebszustand die Gasverflüssigungsanlage genutzt, um durch gezieltes Zu- oder Abschalten der Gasverflüssigungsanlage eine Leistungsregelung der Kraftwerksanlage zu nutzen. Die Leistungsregelung kann dabei unter Umständen auch zur Frequenzregelung oder Frequenzstütze genutzt werden. Die Gasverflüssigungsanlage entspricht einem Verbraucher, der nur im ersten Betriebszustand läuft, und problemlos abgeschaltet werden kann. Durch ein gezieltes Abschalten kann somit die Leistung, welche die Gasverflüssigungsanlage verbraucht, ins Stromnetz eingespeist werden und somit zur Leistungsregelung des Kraftwerks beitragen.
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Bei einer besonderen Ausgestaltung der Erfindung wird im zweiten Betriebszustand die bei Verdampfung im Verdampfer frei werdende Kälteenergie zur Kühlung der Ansaugluft der Gasturbine verwendet, indem das verdampfte Gas mit der Ansaugluft im Wärmetausch geführt wird. Die Kälteenergie des wiederverdampfenden Gases kann dabei direkt, oder mittels eines Wärmeübertragungsmediums an die Ansaugluft der Gasturbine übertragen werden. Durch Wiederverdampfung des kryogen gespeicherten Brennstoffes und Nutzung der dabei frei werdenden Kälteenergie kann somit die Leistung der Gasturbine im Spitzenlastbetrieb weiter gesteigert werden. Je nach Auslegung der Kraftwerksanlage und Umgebungsbedingungen ist eine Steigerung der Blockleistung je nach Anlagentyp und Vorkühlverfahren um zwischen 5 und 10% möglich. Die Kühlung der Ansaugluft kann auch geregelt erfolgen, so dass im zweiten Betriebszustand die Betriebsflexibilität der Kraftwerksanlage gesteigert werden kann.
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Die auf eine Vorrichtung gerichtete Aufgabe der Erfindung ist gelöst durch die Merkmale des Anspruchs 6. Die erfindungsgemäße Kraftwerksanlage, umfassend eine Gasturbine, eine Gasverflüssigungsanlage zur Verflüssigung von Gas, einen Flüssiggasspeicher zur Speicherung des verflüssigen Gases (LNG), und einen Verdampfer zur Rückverdampfung des verflüssigten Gases, wobei die Gasturbine und die Gasverflüssigungsanlage an einer Versorgungsleitung angeschlossen sind. Erfindungsgemäß ist die Gasturbine so ausgelegt, dass sie im Betrieb mehr Gas verbrennen kann, als durch die Versorgungsleitung der Kraftwerksanlage bereitgestellt werden kann.
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Im Betrieb wird die Gasturbine im Nennlastbereich betrieben, in dem der Brennstoffverbrauch hoch ist. Die Erfindung kennzeichnet sich dadurch, dass die Gasturbine selbst dann im Nennlastbereich betrieben werden kann, wenn der Brennstoffverbrauch im Betrieb höher ist, als die Menge an Brennstoff der durch die Gaspipeline der Gasturbine maximal zugeführt werden kann. Die Gasmenge die eine Pipeline liefern kann hängt dabei vom Durchmesser der Leitung sowie vom Druck ab.
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Die erfindungsgemäßen Vorteile der Vorrichtung ergeben sich analog zu dem Verfahren zum Betrieb einer Kraftwerksanlage aus Anspruch 1.
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Bei einer Weiterentwicklung der Erfindung ist der Verdampfer an die Versorgungsleitung angeschlossen, so dass verflüssigtes Gas nach der Wiederverdampfung in die Versorgungsleitung leitbar ist. Dadurch kann die Kraftwerksanlage Gas zurück in die Versorgungsleitung speisen.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung umfasst die Kraftwerksanlage weiterhin einen elektrischen Antrieb, der die Gasverflüssigungsanlage antreibt. Die Leistungsaufnahme des elektrischen Antriebs ist dabei mindestens 5% der elektrischen Leistung der Kraftwerksanlage.
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Bei einer besonderen Weiterentwicklung der Kraftwerksanlage ist weiterhin eine Regelvorrichtung umfasst, welche die Gasverflüssigungsanlage gezielt zu- oder abschaltet. Die Regelung erfolgt dabei in Abhängigkeit von einer von der Kraftwerksanlage geforderten Leistung. Dadurch ist eine Leistungsregelung der Kraftwerksanlage, insbesondere zur Frequenzregelung oder Frequenzstütze erzielbar.
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In einer weiteren besonderen Ausgestaltung der Erfindung umfasst die Kraftwerksanlage weiterhin eine Verdichtereinheit, welche die Wiederverdampfungsenthalpie der Umgebungsluft der Gasturbine entzieht. Weiterhin ist ein Wärmetauscher vorgesehen, der mit seiner Sekundärseite zuführend an den Verdampfer angeschlossen und mit seiner Primärseite zuführend an die Ansaugluftzuführung der Gasturbine angeschlossen ist. Dadurch kann die Kälteenergie des flüssigen Gases bei Verdampfung zur Kühlung der Ansaugluft der Gasturbine genutzt werden. Die Sekundärseite ist die Seite, auf die Wärme von der Primärseite übertragen wird.
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Die Erfindung kann vorteilhaft bei Gas- und Dampfturbinenkraftwerken, Gasturbinenkraftwerken, Gaskraftwerken mit Gasmotoren) oder gasbefeuerten Heizkraftwerken angewandt werden.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand von Figuren beschrieben. Darin zeigen:
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1 ein Verfahren zum Betrieb einer Kraftwerksanlage im ersten Betriebszustand;
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2 ein Verfahren zum Betrieb einer Kraftwerksanlage im zweiten Betriebszustand.
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1 zeigt ein Verfahren zum Betrieb einer Kraftwerksanlage 1 im ersten Betriebszustand. In diesem Betriebszustand wird von der Kraftwerksanlage keine Leistung gefordert. Ein Gas 5 wird aus einer Versorgungsleitung 3 einer Gasverflüssigungsanlage 6 zugeführt und darin verflüssigt, wobei flüssiges Gas (LNG) gebildet wird. Das flüssige Gas (LNG) wird in einem Flüssiggasspeicher 7 gespeichert. Der Flüssiggasspeicher entspricht einem Tank der so ausgelegt ist, dass in ihm das verflüssigte Gas (LNG) kryogen gespeichert werden kann. Die dicken, doppelstrichigen Linien kennzeichnen hier Leitungen, die von Gas, bzw. von LNG durchströmt werden. Im vorliegenden Beispiel hat die Gasverflüssigungsanlage 6 ein Durchsatzvolumen von 1,7 kg/s. Damit ist sie in der Lage den Flüssiggasspeicher 7 innerhalb von Tagen oder wenigen Monaten zu füllen.
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1 zeigt weiterhin einen Verdampfer 8, der über eine Gasleitung mit dem Verbrennungsprozess 4 einer Gasturbine 2 verbunden ist. Der Gasturbine wird im ersten Betriebszustand kein Gas über die Gasleitung aus dem Verdampfer zugeführt. Die dünnen, einstrichigen Linien kennzeichnen Leitungen, die nicht von Gas oder LNG durchströmt werden.
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2 zeigt das Verfahren zum Betrieb einer Kraftwerksanlage im zweiten Betriebszustand. In diesem Zustand wird von der Kraftwerksanlage elektrische Leistung für ein Stromnetz oder Wärmeleistung für Fernwärme gefordert. Erdgas aus der Versorgungsleitung 3 wird nun nicht mehr der Gasverflüssigungsanlage 6 zugeführt. Die Gasverflüssigungsanlage ist nicht in Betrieb. Im zweiten Betriebszustand wird LNG aus dem Flüssiggasspeicher 7 entnommen, in dem Verdampfer 8 verdampft, und über eine Gasleitung dem Verbrennungsprozess 4 der Gasturbine 2 zugeführt.
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In dem Beispiel der 2 ist der Flüssiggasspeicher 7 ein atmosphärischer Speicher. In diesem Fall ist es erforderlich, den Druck des Gases vor der Zuführung in den Verbrennungsprozess 4 der Gasturbine 2 zu erhöhen. Dies wird durch eine Pumpe erzielt, die zwischen Flüssiggasspeicher 7 und Verdampfer 8 angeordnet wird. Der Flüssiggasspeicher 7 kann aber auch als Druckspeicher ausgestaltet sein, bei dem das verflüssigte Gas (LNG) unter Druck gespeichert wird. Der Druck ist dann vorzugsweise so eingestellt, dass der Druck des Gases nach Verdampfen in dem Verdampfer 8 so hoch ist, dass er dem erforderlichen Druck für die Gasturbine 2 entspricht. In diesem Fall ist ein zusätzlicher Druckminderer erforderlich.
