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Die Erfindung betrifft ein Gasturbinenkraftwerk zur Erzeugung von Nutzenergie, vorzugsweise elektrischer Energie, mit einer Gasturbine, die einen Verdichter, eine Brennkammer und eine Turbine auf einer Welle aufweist und die mit einem Prozessgas beschickbar ist, welches dazu geeignet ist, mit Luft unter Energiefreisetzung zu reagieren.
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Ein Gasturbinenkraftwerk dient im Allgemeinen der Stromerzeugung und wird mit Erdölprodukten und mit Brenngasen, wie beispielsweise Erdgas betrieben. Mit diesen Brennstoffen werden Gasturbinen betrieben, die ihrerseits angekoppelte Generatoren betreiben.
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Die Eigenschaften der Gasturbine, die ihren Einsatz für die Stromerzeugung interessant machen, sind ihre hohe Leistungsdichte und ihre Schnellstartfähigkeit. Aus letzterem Grund wird sie zur kurzfristigen Spitzenlastabdeckung eingesetzt. Gasturbinenkraftwerke haben je Einheit eine Leistung von bis zu 340 MW.
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Gaskraftwerke zeichnen sich durch niedrige Investitionen aus. Sie haben aber im Vergleich zu Kohlekraftwerken höhere Betriebskosten. Diese resultieren aus einem etwas geringeren Wirkungsgrad von 40% und aus höheren spezifischen Energiepreisen des üblicher Weise verwendeten Erdgases gegenüber der Kohle. Die Abgase der Turbine besitzen beim Verlassen der Turbine noch eine hohe Temperatur, sie können daher zur Beheizung eines Dampfkessels im Gas- und -Dampf-Kombikraftwerk verwendet werden. Damit lassen sich Wirkungsgrade von ca. 60% erreichen.
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Die Vorteile eines Gasturbinenkraftwerkes sind die Fähigkeit zum Schwarzstart und der schnelle Anlauf innerhalb von etwa 7 Minuten. Solche Anlagen werden daher vor Allem zum Abdecken von Lastspitzen im Stromnetz eingesetzt.
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Für den Betrieb eines Gasturbinenkraftwerks wird ein Prozessgas benötigt. Hierbei bietet sich Wasserstoff aus mehreren Gründen als Speichermedium an. Über die Elektrolyse lässt sich Wasserstoff mit Hilfe eines Energieträgers erzeugen und flüssig oder gasförmig speichern und transportieren. Bei der Verbrennung kann Wärmeenergie freigesetzt werden. Wasserstoff lässt sich als Gas oder auch extrem gekühlt in flüssiger Form transportieren und kann in Druckgasflaschen, Gasometern, gekühlten Kesseln oder Metall-Hybrid-Speichern aufbewahrt werden. Über das Verbrennen in Motoren oder Brennstoffzellen wird Strom, Wärme oder Bewegung erzeugt. Dabei entsteht reines Wasser. Das heißt, die energetische Nutzung von Wasserstoff belastet die Umwelt nicht unmittelbar mit Schadstoffen und Kohlendioxid.
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Die Kombination aus erneuerbarer Energie und Wasserstoff als Energiespeicher entspricht dem Ideal des umweltverträglichen Kreislaufs. Wasserkraft, Windränder oder Solarzellen erzeugen elektrischen Strom, mit dem Wasser in seine Bestandteile zerlegt werden. Der Wasserstoff wird zunächst gespeichert und später bei Bedarf entweder zur Wärme- oder Stromerzeugung sowie als Kraftstoff genutzt. Als Verbrennungsprodukt entsteht jeweils wieder Wasser.
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Nachteilig an einer auf Wasserstoff basierenden Energiespeicherung sind jedoch die sehr hohen Kosten.
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Demgemäß besteht die Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, ein Gasturbinenkraftwerk mit einem kosteneffizienteren Energiespeicher zu schaffen.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Gasturbinenkraftwerk mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Aus- und Weiterbildungen, welche einzeln oder in Kombination miteinander eingesetzt werden können, sind der Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch ein Gasturbinenkraftwerk zur Erzeugung von Nutzenergie, vorzugsweise elektrischer Energie, gelöst mit einer Gasturbine, die einen Verdichter, eine Brennkammer und eine Turbine auf einer Welle aufweist und die mit einem Prozessgas beschickbar ist, welches dazu geeignet ist, mit Luft unter Energiefreisetzung zu reagieren. Die Erfindung zeichnet dadurch aus, dass das Prozessgas aus Ammoniak gewinnbar ist.
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Die Erfindung macht sich die Erkenntnis zunutze, dass Ammoniak unter Zuhilfenahme eines Katalysators in Stickstoff und Wasserstoff zu zersetzen ist. Diese Reaktion ist ein endothermer Prozess, der 2,6 MJ/kg an thermischer Energie benötigt, die aus den Abgasen gewonnen werden können, die aus der Brennkammer nach der Verbrennungsreaktion entweichen.
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Der Erfindung liegt die Energiebetrachtung zugrunde, dass Ammoniak einen Heizwert von 18,6 MJ/kg hat. Bei der Verwendung von 1 KG Ammoniak, das in Stickstoff und Wasserstoff zersetzt wird nach der unten stehen Gleichung 2NH3 → 3H2 + N2, erhält man 3/17 × 1KG = 176g Wasserstoff mit einem Heizwert von 120,2MJ/kg und 824g Stickstoff mit einem Heizwert von 0. Der komplette Heizwert der Mischung ergibt sich somit aus 0,176kg × 120 MJ/kg = 21,2 MJ. Dieser Heizwert ist größer als der Heizwert von Ammoniak.
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Geht man nun von einem Kraftwerk mit einem einfachen Zyklus aus, so hat dieses Kraftwerk eine Effizienz von 40%. Beaufschlagt man dieses Kraftwerk mit einem einfachen Zyklus mit einem Kilogramm Ammoniak mit einem Heizwert von 18,6 MJ und zersetzt das Ammoniak in Stickstoff und Wasserstoff, so ergibt sich für den Wasserstoff ein Heizwert von 21,2 MJ. Daraus ergibt sich ein elektrischer Output des Kraftwerks für 1 kg Ammoniak mit 40 % × 21,2 MJ = 8,5 MJ. Daraus ergibt sich eine Effizienz, berechnet mit dem Heizwert für Ammoniak von ηSC = 8,5/18,6 = 45,7%. Die Erhöhung des Wirkungsgrades hängt damit zusammen, dass die Restenergie des Abgases für die Erwärmung des Prozessgases herangezogen wird.
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Führt man die gleiche Überlegung für ein Kraftwerk mit einem kombinierten Zyklus durch, so muss von einem Wirkungsgrad von 60% ausgegangen werden. Geht man nun wieder von 1 kg Ammoniak mit einem Heizwerk von 18,6 MJ aus für ein Kraftwerk mit einem kombinierten Zyklus, so ergibt sich ein elektrischer Output von: 40% × 21,2 MJ = 8,5 MJ (60% × 21,2 MJ – 1,05 × 2,6 MJ) × 33% = 3,3 MJ
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Insgesamt ergibt sich: 8,5 + 3,3 = 11,8 MJ
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Daraus ergibt sich ein Wirkungsgrad von η∞ = 11,8 MJ/18,6 MJ = 63,4%
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Auch hier ergibt sich eine Steigerung des Wirkungsgrades.
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In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann es vorgesehen sein, dass das Prozessgas aus flüssigem Ammoniak unter Hinzufügung von Energie gewinnbar ist. Dieser Prozess ist erforderlich, um das Ammoniak in einem weiteren Prozessschritt unter katalytischen Bedingungen in Stickstoff und Wasserstoff aufzuspalten.
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Eine erfindungsgemäße Weiterführung des Konzepts kann darin bestehen, dass das Prozessgas unter Einwirkung eines Katalysators gewinnbar ist. Die Aufspaltung von Ammoniakgas wird gewöhnlich unter Temperatureinfluss und mit Hilfe eines Katalysators durchgeführt.
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In einer weiteren speziellen Fortführung des erfindungsgemäßen Konzepts kann es vorgesehen sein, dass der Katalysator ein Metallpulver ist.
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Eine erfindungsgemäße Weiterführung dieses Konzepts kann darin bestehen, dass das Metallpulver Platin und/oder Palladium und/oder Eisen und/oder Nickel ist. Diese Katalysatoren haben sich als besonders günstig erwiesen.
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In einer speziellen Ausgestaltung der Erfindung kann ein weiteres Konzept darin bestehen, dass der Katalysator eine Metall-Oxid-Zusammensetzung aufweist.
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In einer weiteren speziellen Fortführung des erfindungsgemäßen Konzepts kann es vorgesehen sein, dass die Metall/Metall-Oxid-Zusammensetzung FeCeO2 und/oder FeZrO2 und/oder FeAl2O3 ist.
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In einer speziellen Ausgestaltung der Erfindung kann ein weiteres Konzept darin bestehen, dass das erhitzte Abgas nach der Verbrennungsreaktion einem Wärmetauscher zuführbar ist, um die Abgaswärme für die katalytische Zersetzung des Ammoniaks zu nutzen.
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In einer weiteren speziellen Fortführung des erfindungsgemäßen Konzepts kann es vorgesehen sein, dass die erhitzen Abgase nach der Verbrennungsreaktion einem Dampferzeuger zuführbar sind, welcher in einem zweiten Zyklus mit einer Dampfturbine, einem Kondensator und einer Pumpe angeordnet ist.
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Das erfindungsgemäße Gasturbinenkraftwerk mit einem einfachen Zyklus weist ein Vorratsbehältnis für flüssigen Ammoniak auf. Von diesem Vorratsbehältnis führt eine Leitung zu einem Wärmetauscher, der den flüssigen Ammoniak in gasförmigen Ammoniak überführt. Der gasförmige Ammoniak wird mittels eines Katalysators in Wasserstoff und Stickstoff zersetzt. Diese Gasgemisch wird danach zusammen mit Luft, welches in einem Verdichter verdichtet wurde, einer Brennkammer zugeführt. Die Energie aus dieser Verbrennungsreaktion wird über eine Turbine auf eine Welle geführt, die mechanische Arbeit leistet, die in einem Generator in elektrische Energie umgewandelt wird. Außerdem kann das Abgas nach der Turbine zurück zu einem Wärmetauscher geführt werden, der Wärmeenergie für die katalytische Zersetzung des Ammoniaks bereitstellt. Das Abgas kann danach durch den Wärmetauscher in die Atmosphäre gelangen.
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Die Erweiterung des einfachen Zyklus zum kombinierten Zyklus kann darin bestehen, dass nach der Turbine und vor dem Generator eine weitere Dampfturbine geschaltet ist, die einen eigenen Kreislauf speist über einen Kondensator, eine Pumpe und einen Dampferzeuger.
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Weitere Vorteile und Ausführungen der Erfindung werden nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen sowie anhand der Zeichnung näher erläutert.
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Dabei zeigen:
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1 in einer schematischen Darstellung ein erfindungsgemäßes Gasturbinenkraftwerk mit einem einfachen Zyklus;
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2 in einer schematischen Darstellung ein erfindungsgemäßes Gasturbinenkraftwerk mit einem kombinierten Zyklus.
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1 zeigt ein erfindungsgemäßes Gasturbinenkraftwerk mit einem einfachen Zyklus. Das erfindungsgemäße Gasturbinenkraftwerk weist ein Vorratsbehältnis 1 für den flüssigen Ammoniak auf. Von diesem Vorratsbehältnis 1 führt eine Leitung 2 zu einem Wärmetauscher 3, der den flüssigen Ammoniak in gasförmigen Ammoniak überführt. Das gasförmige Ammoniak wird mittels eines Katalysators 4 in Wasserstoff und Stickstoff zersetzt. Dieses Gasgemisch wird danach zusammen mit Luft, welches in einem Verdichter 5 verdichtet wurde, einer Brennkammer 6 zugeführt. Die Energie aus dieser Verbrennungsreaktion wird über eine Turbine 7 auf eine Welle 8 geführt, die mechanische Arbeit leistet, die in einem Generator 9 in elektrische Energie umgewandelt wird. Außerdem kann das erhitzte Abgas aus der Verbrennungsreaktion einem Wärmetauscher 10 zugeführt werden, der Wärmeenergie für die katalytische Zersetzung des Ammoniaks bereitstellt. Das Abgas kann danach durch den Wärmetauscher 3 in die Atmosphäre gelangen.
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In 2 ist ein erfindungsgemäßes Gasturbinenkraftwerk mit einem kombinierten Zyklus dargestellt. Das Gasturbinenkraftwerk mit kombiniertem Zyklus weist ebenfalls den aus 1 bekannten Grundzyklus auf mit einem Vorratsbehältnis 1, der mit flüssigem Ammoniak gefüllt ist, welcher in einem Wärmetauscher 3 in die gasförmige Phase überführt wird. Der gasförmige Ammoniak wird unter Zuhilfenahme von Wärmeenergie und einem Katalysator 4 zu Stickstoff und Wasserstoff zersetzt. Dieses Gasgemisch wird einer Brennkammer 6 zugeführt, in welche auch verdichtete Luft aus einem Verdichter 5 zugeführt wird. Die Energie aus dieser Verbrennungsreaktion wird über eine Turbine 7 auf eine Welle 8 geführt, die mechanische Arbeit leistet, die in einem Generator 9 in elektrische Energie umgewandelt wird. Die Erweiterung des einfachen Zyklus zum kombinierten Zyklus besteht nun darin, dass nach der Turbine 7 und vor dem Generator 9 eine Dampfturbine 11 geschaltet ist, die einen eigenen Kreislauf speist über einen Kondensator 12, eine Pumpe 13 und einen Dampferzeuger 14. Außerdem kann es vorgesehen sein, dass das erhitzte Abgas aus der Brennkammer 6 zum Einen durch den Dampferzeuger 14, als auch durch den Wärmetauscher 10 geführt wird.
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Das erfindungsgemäße Gasturbinenkraftwerk mit einfachem oder kombiniertem Zyklus zeichnet sich dadurch aus, dass mit Ammoniak ein Energiespeicher gewählt wurde, der deutlich einfacher als Wasserstoff zu lagern und zu handhaben ist. Außerdem weist ein Gasturbinenkraftwerk, das mit Ammoniak betrieben wird, einen höheren Wirkungsgrad auf, als ein Gasturbinenkraftwerk, welches mit Wasserstoff betrieben wird.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Vorratsbehältnis
- 2
- Leitung
- 3
- Wärmetauscher
- 4
- Katalysator
- 5
- Verdichter
- 6
- Brennkammer
- 7
- Turbine
- 8
- Welle
- 9
- Generator
- 10
- Wärmetauscher
- 11
- Dampfturbine
- 12
- Kondensator
- 13
- Pumpe
- 14
- Dampferzeuger
