DE102019210737A1 - Gasturbine mit thermischem Energiespeicher, Verfahren zum Betreiben und Verfahren zur Modifikation - Google Patents

Gasturbine mit thermischem Energiespeicher, Verfahren zum Betreiben und Verfahren zur Modifikation Download PDF

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Abstract

Durch die Verwendung eines thermischen Energiespeichers (103) in Kombination mit einer Gasturbine (103) kann die Anlage (1) flexibel betrieben werden.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Anlage, bei der das Abgas einer Gasturbine in einen thermischen Energiespeicher geleitet wird, wobei der thermische Energiespeicher für verschiedene Zwecke verwendet werden kann.
  • Gasturbinen werden heute im aktuellen Energiemarkt oft als sogenannte „Peaker“ verwendet und müssen daher schnell in ihrer Leistung hoch- und runtergefahren werden. Dies ist aus dem Ruhezustand nicht möglich sowie erscheint das Weiterlaufenlassen der Gasturbine auch nicht sinnvoll.
  • Es ist daher Aufgabe der Erfindung oben genanntes Problem zu lösen.
  • Die Aufgabe wird gelöst durch eine Anlage gemäß Anspruch 1, ein Verfahren zum Betreiben einer Anlage gemäß Anspruch 12 und ein Verfahren zur Modifikation nach Anspruch 22.
  • Die 1 zeigt eine GuD-Anlage nach dem Stand der Technik. In den 2, 3 und 4 ist schematisch die Erfindung dargestellt.
  • Die Zeichnung und die Beschreibung stellen nur Ausführungsbeispiele der Erfindung dar.
  • 1 zeigt beispielhaft eine Energieumwandlungsanlage 1'. Eine Gasturbine 100 ist über ein Getriebe 4 oder eine Kupplung 4 mit einem Generator 5 zur Stromerzeugung gekoppelt. Der Generator 5 ist ebenfalls mit einer Dampfturbine 6 über eine Kupplung 2 verbunden.
    Dampfturbinen 6 sind dann vorhanden, wenn es sich um eine Kombikraftanlage handelt. Eine Energieumwandlungsanlage 1 kann auch nur eine Gasturbine 100 ohne Dampfturbine 6 aufweisen.
  • An die Dampfturbine 6, falls vorhanden, ist ein Kondenser 7 angeschlossen.
    Das Abgas aus der Gasturbine 100 strömt über eine Abgasvorrichtung oder über einen Diffusor 8 in eine Wärmerückgewinnungsanlage (HRSG) 9 aus, bei der die heiße Abluft benutzt wird zur Dampferzeugung.
    Ebenso ist ein Abluftkamin 10 vorhanden.
  • In 2 ist schematisch eine erfindungsgemäße Anlage 1 dargestellt.
    Das heiße Abgas der Gasturbine 100 wird über den Diffusor 8 in einen Energiespeicher 103 geleitet.
    Die Energie aus dem Energiespeicher 103 kann bei Bedarf entnommen werden, um Wasser für Fernwärme zu erwärmen und ins Fernwärmenetz einzuspeisen oder wie hier in diesem Beispiel wird er genutzt, um für eine GuD-Anlage Dampf zu erzeugen. Optional kann noch Strom aus erneuerbarer Energie von Windkraft- oder Solarenergieanlagen in den thermischen Energiespeicher 103 zugeführt werden, insbesondere mittels eines elektrischen Heizers 36.
  • Je nach Anwendungsfall, insbesondere im Fall des GuD, ist ein Bypass 112 vorhanden, der entweder das heiße Abgas der Gasturbine 100 direkt in den thermischen Energiespeicher 103 leitet oder in das Wärmerückgewinnungssystem (HRSG) 9.
  • Wird die Gasturbine 100 bei Volllast betrieben und deren Energie benötigt, um den Generator 5 anzutreiben, so wird das Abgas der Gasturbine direkt ganz oder größtenteils in den thermischen Energiespeicher 103 geleitet.
  • Im GuD-Betrieb kann je nach Netzauslastung das heiße Abgas der Gasturbine 100 in den HRSG 9 geleitet werden und/oder in den thermischen Energiespeicher 103.
  • Wird im Netz weniger Elektrizität benötigt, so kann die Gasturbine 100 runtergefahren werden auf ein bestimmtes Maß.
  • Dabei muss dann keine weitere Beladung des thermischen Energiespeichers 103 erfolgen.
  • Falls notwendig wird der thermische Energiespeicher 103 entladen, um die Dampfturbine 6 zu betreiben, die dann wiederum den Generator 5 antreibt.
  • Wenn die Gasturbine als „Peaker“ betrieben wird oder im Open Cycle betrieben wird, wobei dies eine alleinstehende Gasturbine oder eine Gasturbine in einer GuD-Anlage 1 sein kann, wird das heiße Abgas der Gasturbine 100 hauptsächlich oder vollständig benutzt, um den thermischen Energiespeicher 103 zu beladen.
  • Als Mittel 9 kann eine Dampfturbine 6 und vorgeschaltete Prozesse, wie in 3 gezeigt, verwendet werden, um die gespeicherte Energie im Energiespeicher 103 zu verwenden, um Elektrizität zu erzeugen.
  • Auch im GuD-Betrieb kann die Gasturbine 100 mit ihrem heißen Abgas verwendet werden, um den thermischen Energiespeicher 103 zu beladen.
  • In 3 ist eine detaillierte Anordnung der erfindungsgemäßen Anlage 1 gezeigt.
    Im oberen Bereich ist die Gasturbine 100 gezeigt, die im Open Cycle bzw. Simple Cycle oder GuD-Betrieb betrieben wird. Jedenfalls kann das heiße Abgas der Gasturbine 100 über die Leitung 13' dem thermischen Energiespeicher 103 zugefügt werden.
    Ebenso kann die Energie aus dem thermischen Energiespeicher 103 in Form von heißer Luft entnommen werden, um sie einem Mittel 6, 9, 30 zuzuführen. Das Mittel 30 dient dazu, um diese thermische Energie zur Stromerzeugung zu verwenden.
  • Das Mittel 30 verwendet das heiße Gas aus dem thermischen Energiespeicher 103 mit Leitung 13", um mittels eines Kondensers 16 und Pumpe 19 entsprechend heißen Dampf für eine Dampfturbine 6 zu erzeugen. Luft 28 und Wasser 25 können entsprechend zugeführt werden, die für die Gasturbine 100 verwendet wird bzw. um die gespeicherte thermische Energie aus dem thermischen Energiespeicher 103 zu entladen.
    Ebenso ist es möglich, das Mittel 30 vorhanden sind, um Wasser zu erwärmen, um die Energie aus dem thermischen Energiespeicher zu benutzen.
  • In 4 ist eine weitere Variante gezeigt, bei der in Ergänzung zu 3 erneuerbare Energien wie Windenergie, Solarenergie oder Elektrizität von Wasserspeichern 33 verwendet werden, um den thermischen Energiespeicher 103 mittels eines elektrischen Heizers zu erwärmen, optional zum heißen Abgas.
  • In 3 und 4 ist der Teil der Gasturbine 100 oder GuD-Anlage 1 nur schematisch dargestellt und entsprechen der 1 oder 2.
  • Der thermische Energiespeicher 103 ist vorzugsweise modular aufgebaut. Einzelne Module können separat voneinander aufgeheizt und so auf unterschiedliche Temperaturen gebracht werden.
    Hohe Temperaturen im Energiespeicher 103 sind thermodynamisch am besten.
    Wenn ein Modul die höchste Temperatur erreicht wird, kann ein anderes Modul erwärmt werden.
    Dementsprechend wird zuerst das Modul mit der höchsten Temperatur „entladen“, um es insbesondere für die Dampfturbine 6 oder HRSG 9 zu verwenden.

Claims (22)

  1. Energieerzeugungsanlage (1), zumindest aufweisend: zumindest eine Gasturbine (100) mit einer Abgasvorrichtung (8), zumindest einen Generator (5), zumindest einen thermischen Energiespeicher (103), wobei der Generator (5) von der Gasturbine (100) angetrieben werden kann, wobei über die Abgasvorrichtung (8) das heiße Abgas der Gasturbine (100) vorzugsweise direkt in einen thermischen Energiespeicher (103) geleitet werden kann, sowie Mittel (6, 9, 30), um die thermische Energie aus dem thermischen Energiespeicher (103) zumindest teilweise, insbesondere nur, zur Stromerzeugung zu verwenden.
  2. Anlage nach Anspruch 1, die keinen Strom aus erneuerbaren Energien, insbesondere nicht von Wind (106), nicht aus Wasserenergie, nicht aus Solarenergie (109) verwenden kann, um den thermischen Energiespeicher (103) zu erwärmen.
  3. Anlage nach Anspruch 1, die Strom aus Wind (106) und/oder Wasserenergie und/oder Solarenergie (109) verwenden kann, insbesondere mittels eines elektrischen Heizers (36) um den thermischen Energiespeicher (103) zu erwärmen.
  4. Anlage nach einem oder mehreren der Ansprüche 1, 2 oder 3, die Solarenergie nicht zur Erwärmung von Luft oder sonstigen Arbeitsfluiden verwenden kann.
  5. Anlage nach einem oder mehreren der Ansprüche 1, 2, 3 oder 4, die überflüssigen Strom aus einem externen Stromnetz verwenden kann, insbesondere mittels eines elektrischen Heizers (36), um den thermischen Energiespeicher (103) zu erwärmen.
  6. Anlage nach einem oder mehreren der Ansprüche 1, 2, 3, 4 oder 5, bei der neben der Gasturbine (100) eine Dampfturbine (6) vorhanden ist, die auch einen oder den Generator (5) antreiben kann, wobei der thermische Energiespeicher (103) benutzt werden kann, um die Dampfturbine (6) zu betreiben.
  7. Anlage nach einem oder mehreren der Ansprüche 1, 2, 3, 4, 5 oder 6, bei der ein Wärmerückgewinnungssystem (9) vorhanden ist, in das heißes Abgas aus der Gasturbine (100) oder Dampf von einer Dampfturbine (6) gelangen kann.
  8. Anlage nach Anspruch 1 oder 7, bei der zumindest ein Bypass (112) zwischen Abgasvorrichtung (8) der Gasturbine (100) und thermischem Energiespeicher (103) vorhanden ist, der es ermöglicht, das heiße Abgas der Gasturbinen (100) selektiv in den thermischen Energiespeicher (103) und/oder in ein Wärmerückgewinnungssystem (9) zu leiten.
  9. Anlage nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche, bei der der thermische Energiespeicher (103) modular aufgebaut ist, um den Energiespeicher (103) in den einzelnen Modulen verschieden aufzuwärmen.
  10. Anlage nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche, die einen einzigen Generator (5) für eine Gasturbine (100) und eine Dampfturbine (6) aufweist, insbesondere als Einwellenanlage.
  11. Anlage nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche, bei dem Solarenergie nicht zur Erhitzung von Luft oder komprimierter Luft verwendet kann; weder für den HRSG (9), die Gasturbine (100) noch den thermischen Energiespeicher (103).
  12. Verfahren zum Betreiben einer Energieerzeugungsanlage (1), zumindest aufweisend zumindest eine Gasturbine (100) mit einer Abgasvorrichtung (8), zumindest einen Generator (5), zumindest einen thermischen Energiespeicher (103), wobei der Generator (5) von der Gasturbine (100) angetrieben wird, wobei über die Abgasvorrichtung (8) das heiße Abgas der Gasturbine (100), insbesondere direkt, in den thermischen Energiespeicher (103) geleitet wird, insbesondere nur das Abgas einer Gasturbine (100) verwendet wird, um einen thermischen Energiespeicher (103) zu erhitzen, sowie Mittel (6, 9, 30), um die thermische Energie aus dem thermischen Energiespeicher (103) zumindest zur Stromerzeugung zu nutzen.
  13. Verfahren nach Anspruch 12, bei dem die Anlage (1) eine GuD-Anlage mit einer Dampfturbine (6) und mit einem thermischen Energiespeicher (103) darstellt, wobei die gespeicherte Energie aus dem thermischen Energiespeicher (103) verwendet wird, um die Dampfturbine (6) zu betreiben.
  14. Verfahren nach Anspruch 12 oder 13, bei dem das heiße Abgas aus der Gasturbine (100) selektiv umgeleitet wird in einen thermischen Energiespeicher (103) und/oder in ein Wärmerückgewinnungssystem (9), insbesondere mittels eines Bypasses (112).
  15. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 12, 13 oder 14, bei dem der Energiespeicher (103) selektiv aufgeladen und entladen wird.
  16. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 12, 13, 14 oder 15, bei dem Elektrizität von Solar-, Wasser- und/oder Windenergie verwendet wird, insbesondere mittels eines elektrischen Heizers (36) um den thermischen Energiespeicher (103) zusätzlich hoch zu heizen, ganz insbesondere aus Sonnen-, Wasser- und/oder Windenergie nur elektrischer Strom verwendet wird.
  17. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 12, 13, 14, 15 oder 16, bei dem die Gasturbine (100) im Open Cycle betrieben wird.
  18. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 12, 13, 14, 15 oder 16, bei dem die Gasturbine (100) im GuD Betrieb betrieben wird.
  19. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 12, 13, 14, 15, 16, 17 oder 18, bei dem nur die Dampfturbine (6) in einer GuD-Anlage mittels der Energie aus dem thermischen Energiespeicher (103) betrieben wird.
  20. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Gasturbine mit Heißgas mit Temperaturen von größer gleich 1100°C, insbesondere größer gleich 1200°C, betrieben wird, insbesondere dadurch dass die Gasturbine (100) nur mit fossilen Brennstoffen, insbesondere Gas oder Öl, betrieben wird, das in einer Brennkammer der Gasturbine (100) verbrannt wird.
  21. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, bei dem Solarenergie nicht zur Erhitzung von Luft oder komprimierter Luft verwendet wird; weder für den HRSG (9), die Gasturbine (100) noch den thermischen Energiespeicher (103).
  22. Verfahren zur Modifikation einer bestehenden Energieerzeugungsanlage (1'), insbesondere einer GuD-Anlage, bei dem zumindest ein thermischer Energiespeicher (103) hinzugefügt wird, der mittels des heißen Abgases der Gasturbine (100) erhitzt werden kann.
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