DE10207791A1

DE10207791A1 - Verfahren zur Nutzung der in einem Wärmekraftwerk zur Anpassung an Netzschwankungen vorgehaltenen Primärregelleistung

Info

Publication number: DE10207791A1
Application number: DE2002107791
Authority: DE
Inventors: Martin Heinen; Ralf Uttich
Original assignee: RWE Power AG
Current assignee: RWE Power AG
Priority date: 2002-02-25
Filing date: 2002-02-25
Publication date: 2003-09-11
Anticipated expiration: 2022-02-26
Also published as: DE10207791B4

Abstract

Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zur Nutzung der in einem Wärmekraftwerk zur Anpassung an Netzschwankungen vorgehaltenen Primärregelleistung, die bei einer Leistungsanforderung aus einem von dem Wärmekraftwerk gespeisten Netz spontan bereitgestellt wird. Ein Turbinen/Generatorsatz zur Stromerzeugung, dessen elektrische Leistung die Primärregelleistung umfasst, wird unabhängig von der Leistungsanforderung aus dem Netz mit zulässiger Dauerlast bei einem auf den Dauerlastbetrieb abgestimmten optimalen Wirkungsgrad betrieben. Überschüssige elektrische Leistung wird zur Erzeugung von Wasserstoff und Sauerstoff durch Elektrolyse genutzt. Nach Maßgabe von Lastschwankungen des Netzes werden Elektroden der Elektrolyse zu- oder abgeschaltet, so dass stets die innerhalb der Primärregelleistung erforderliche Leistung zur sofortigen Einspeisung in das Netz zur Verfügung steht. Der elektrolytisch erzeugte Wasserstoff wird als Energieträger gespeichert.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Nutzung der in einem Wärmekraftwerk zur Anpassung an Netzschwankungen vorgehaltenen Primärregelleistung, die bei einer Leistungsanforderung aus einem von dem Wärmekraftwerk gespeisten Netz spontan bereit gestellt wird.
Die Leistungserzeugung in Kraftwerken muss immer gleich der Leistungsanforderung aus dem Netz sein. Um dies zu gewährleisten, wird insbesondere für Wärmekraftwerke mit einer Leistung von mehr als 100 MW gefordert, dass diese in gewissen Grenzen sogenannte Regelleistung zur Verfügung stellen können. Man unterscheidet dabei zwischen einer Primärregelung, einer Sekundärregelung und einer Minutenregelung. Die Regelleistung für die Primärregelung beträgt +/-2% bezogen auf die Nennleistung des Wärmekraftwerkes. Sie muss bei einer Änderung der Leistungsanforderung innerhalb von 30 Sekunden bereit gestellt und über das ganze Jahr vorgehalten werden, obwohl Erfahrungen gezeigt haben, dass sie nur für wenige Stunden benötigt wird. Im Rahmen der bekannten Maßnahmen wird die spontane Energiebereitstellung in den Wärmekraftwerken größtenteils durch Androsselung der Dampfturbinen erreicht. Bei der Drosselregelung geht ein Teil der Dampfenergie, die zuvor teuer im Kessel erzeugt wurde, als exergetischer Verlust dem Kraftwerksprozess verloren. Um Netzschwankungen nachfahren zu können, sind die Drosselorgane ständig im Regeleinsatz. Der Blockbetrieb ist daher dauernd gestört. Andere Primärregelarten, z. B. der Kondensatstopp oder eine Vorwärmeabschaltung, sind apparativ aufwendig und beeinflussen den Wirkungsgrad des Kraftwerksprozesses beim Regeleingriff ebenfalls negativ.
Bei einem aus US 5,592,028 bekannten Verfahren wird ein Teil der in einem Windkraftwerk erzeugten Energie zur Erzeugung von Wasserstoff und Sauerstoff durch Elektrolyse genutzt. Der elektrolytisch erzeugte Wasserstoff wird verflüssigt und als Energieträger gespeichert.
Bei einem aus JP-A 09-004418 bekannten Verfahren wird in Zeiten, in denen die Leistungsanforderung aus dem Netz gering ist, elektrische Energie durch Elektrolyse in Wasserstoff umgewandelt und gespeichert. Zur Abdeckung von Lastspitzen wird der gespeicherte Wasserstoff verbrannt und zur Dampferzeugung genutzt. Es ist ferner bekannt, mit elektrolytisch hergestelltem und gespeichertem Wasserstoff einen Gasmotor/Generatorsatz anzutreiben (JP-A 58155210). Eine Umwandlung elektrischer Energie, die als Primärregelleistung in einem Wärmekraftwerk vorgehalten werden muss, ist bisher jedoch nicht in Betracht gezogen worden.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren anzugeben, mit dem die in einem Wärmekraftwerk vorgehaltene Primärregelleistung effektiv genutzt werden kann, ohne dass die spontane Bereitstellung der Energie hierdurch beeinträchtigt wird.
Gegenstand der Erfindung und Lösung dieser Aufgabe ist ein Verfahren zur Nutzung der in einem Wärmekraftwerk zur Anpassung an Netzschwankungen vorgehaltenen Primärregelleistung, die bei einer Leistungsanforderung aus einem von dem Wärmekraftwerk gespeisten Netz spontan bereit gestellt wird, wobei
ein Turbinen/Generatorsatz zur Stromerzeugung, dessen elektrische Leistung die Primärregelleistung umfasst, unabhängig von der Leistungsanforderung aus dem Netz mit zulässiger Dauerlast bei einem auf den Dauerlastbetrieb abgestimmten optimalen Wirkungsgrad betrieben wird,
überschüssige elektrische Leistung zur Erzeugung von Wasserstoff und Sauerstoff durch Elektrolyse genutzt wird,
nach Maßgabe von Lastschwankungen des Netzes die Leistungsaufnahme des Elektrolyseurs durch Zu- und Abschalten von Elektroden oder durch Veränderung des Stromflusses so gesteuert wird, dass stets die innerhalb der Primärregelleistung erforderliche Leistung zur sofortigen Einspeisung in das Netz zur Verfügung steht und
der elektrolytisch erzeugte Wasserstoff als Energieträger gespeichert wird.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren werden die Turbinen des zur Stromerzeugung eingesetzten Turbinen/Generatorsatzes nicht angedrosselt, sondern arbeiten mit ihrer maximal zulässigen Dauerlast. Die Leistung, die im Netz nicht abgesetzt werden kann, erzeugt durch Elektrolyse Wasserstoff und Sauerstoff. Beide Gase sind hochrein. Durch Zuschalten und Abschalten von Elektroden der Elektrolyse können Lastschwankungen im Netz spontan ausgeglichen und die im Rahmen der Primärregelung vorgehaltene Leistungsreserve innerhalb von 30 Sekunden zur Einspeisung in das Netz bereit gestellt werden. Dadurch, dass Wasserstoff und Sauerstoff aus vermiedenen Drosselenergieverlusten erzeugt werden, sind die Betriebskosten zur Herstellung des Energieträgers gering und kann dieser kostengünstig auf dem Markt angeboten werden. Daneben ergeben sich auch für den Kraftwerksprozess erhebliche Vorteile. So kann der Kraftwerksbetrieb unabhängig von der Last im Netz in seinem jeweiligen Optimum erfolgen. Dies erhöht den Wirkungsgrad der Energieumsetzung und trägt zu einer Minderung des CO₂-Ausstoßes bei. Dadurch, dass plötzliche Laständerungen vermieden werden, werden die Kraftwerkskomponenten und deren Materialien schonender belastet. Temperatur- und Druckschwankungen werden vermieden. Die Lebensdauer der Kraftwerkskomponenten erhöht sich, und die Reparaturanfälligkeit wird geringer. Die Regelung des Kraftwerksprozesses wird einfacher, was sich günstig auf die Verfügbarkeit des Kraftwerksprozesses sowie bei Investitionen für Kraftwerksneubauten auswirkt.
Bei der elektrolytischen Wasserstofferzeugung bei der Handhabung von Wasserstoff kann auf vorhandene Technologien zurückgegriffen werden. Für die elektrolytische Wasserstofferzeugung bietet sich eine Alkalielektrolyse an, die mit einem alkalischen, wässrigen Elektrolyten arbeitet. Elektrolyseanlagen für die Alkalielektrolyse weisen einen durch ein mikroporöses Diaphragma getrennten Kathoden- und Anodenraum auf. Hierdurch wird eine Vermischung der Produktgase verhindert. Bei Drücken bis zu 10 bar werden, bezogen auf den unteren Heizwert des Wasserstoffes, Wirkungsgrade von ca. 65% erreicht. Alkalische Wasserelektrolyseanlagen sind in Leistungseinheiten zwischen 1 kWel bis zu 125 MWel seit Jahrzehnten kommerziell im Einsatz. In Abhängigkeit von der weiteren Nutzung des Energieträgers wird der Wasserstoff entweder verdichtet oder verflüssigt. Eine bevorzugte Anwendung des Energieträgers ist der Automobilsektor. Der nach dem erfindungsgemäßen Verfahren erzeugte Wasserstoff ist als Kraftstoff für Brennstoffzellmotoren und Wasserstoffmotoren einsetzbar.
Gemäß einer bevorzugten Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird der bei der Elektrolyse entstehende Wasserstoff verflüssigt und als flüssiger Energieträger gespeichert. Dabei kann der Wasserstoff auch in dezentral angeordneten Elektrolyseanlagen erzeugt werden, deren Betrieb ferngesteuert wird. Die Fernsteuerung kann von dem Wärmekraftwerk, einem zuständigen Netzbetreiber oder anderen Anbietern von Regelleistung aus z. B. über Funk erfolgen. Die Elektrolyseanlagen mit nachgeschalteten Einrichtungen zur Verflüssigung und Speicherung des Wasserstoffes können insbesondere an Tankstellen betrieben werden.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand einer lediglich ein Ausführungsbeispiel darstellenden Zeichnung erläutert. Es zeigen schematisch
Fig. 1 das erfindungsgemäße Verfahren zur Nutzung der in einem Wärmekraftwerk vorgehaltenen Primärregelleistung,
Fig. 2 ein Anlagenschema für das erfindungsgemäße Verfahren mit zentraler Erzeugung und Distribution von Wasserstoff,
Fig. 3 ein Anlagenschema für das erfindungsgemäße Verfahren mit dezentraler Erzeugung und Distribution von Wasserstoff.
Das in den Figuren dargestellte Verfahren dient der Nutzung der in einem Wärmekraftwerk zur Anpassung an Netzschwankungen vorgehaltenen Primärregelleistung, die bei einer Leistungsanforderung aus einem von dem Wärmekraftwerk gespeisten Netz spontan, d. h. innerhalb von weniger als 30 Sekunden, bereit gestellt werden muss. Das Wärmekraftwerk 1 weist einen Turbinen/Generatorsatz 2 zur Stromerzeugung auf, dessen elektrische Leistung P die Primärregelleistung P_o umfasst. Dieser Turbinen/Generatorsatz 2 wird unabhängig von der Leistungsanforderung P_N aus dem Netz 3 mit zulässiger Dauerlast bei einem auf den Dauerlastbetrieb abgestimmten optimalen Wirkungsgrad betrieben. Die dabei erzeugte überschüssige elektrische Leistung wird zur Erzeugung von Wasserstoff und Sauerstoff durch Elektrolyse genutzt. Der Strom wird einer Elektrolyseanlage 4 mit vorgeschaltetem Gleichrichter 5 zugeführt, die mit einem alkalischen, wässrigen Elektrolyten arbeitet. Der Elektrolyseanlage 4 zugeführtes Wasser 6 wird in Wasserstoff und Sauerstoff gespalten. Wasserstoff und Sauerstoff werden verdichtet oder verflüssigt und in Abfüllanlagen 7, 8 gespeichert. Nach Maßgabe von Lastschwankungen des Netzes 3 wird die Leistungsaufnahme der Elektrolyseanlage 4 durch Zu- und Abschalten der Elektroden 9 oder durch Verändern des Stromflusses, z. B. durch Steuerung der Eintauchtiefe der Elektroden und/oder des Elektrodenabstandes so gesteuert, dass stets die innerhalb der Primärregelleistung erforderliche Leistung zur sofortigen Einspeisung in das Netz 3 zur Verfügung steht.
Nach dem in Fig. 2 dargestellten Anlagenschema ist dem Wärmekraftwerk 1 eine Elektrolyseanlage 4 zugeordnet, deren Leistung auf die im Wärmekraftwerk 1 vorgehaltene Primärregelleistung P_o abgestimmt ist. Der Wasserstoff wird zentral, also in einer dem Wärmekraftwerk 1 zugeordneten Anlage 4, erzeugt und in einer nachgeschalteten Einrichtung 10 verflüssigt sowie in flüssiger Form gespeichert. Die Distribution des Wasserstoffes erfolgt durch Tankfahrzeuge 11, welche Tankstellen 12 beliefern.
Bei dem in Fig. 3 dargestellten Ausführungsbeispiel wird der Wasserstoff in dezentral angeordneten Elektrolyseanlagen 4 erzeugt. Der Strom für die Elektrolyse wird dem Netz 3 entnommen. Der Betrieb der dezentralen Elektrolyseanlagen 4 wird beispielsweise über Funk 13 von dem Wärmekraftwerk 1, dem Lastverteiler oder unabhängigen Dritten aus ferngesteuert. Die Elektrolyseanlagen 4 mit nachgeschalteten Einrichtungen 10 zur Verflüssigung und Speicherung des Wasserstoffes können unmittelbar an Tankstellen 12 installiert werden.
Der elektrolytisch erzeugte Wasserstoff wird als Kraftstoff zum Antrieb von Brennstoffzellenfahrzeugen 14 oder Fahrzeugen mit Verbrennungsmotoren, die auf den Betrieb von Wasserstoff eingerichtet sind, verwendet.

Claims

1. Verfahren zur Nutzung der in einem Wärmekraftwerk zur Anpassung an Netzschwankungen vorgehaltenen Primärregelleistung, die bei einer Leistungsanforderung aus einem von dem Wärmekraftwerk gespeisten Netz spontan bereit gestellt wird,
wobei ein Turbinen/Generatorsatz zur Stromerzeugung, dessen elektrische Leistung die Primärregelleistung umfasst, unabhängig von der Leistungsanforderung aus dem Netz mit zulässiger Dauerlast bei einem auf den Dauerlastbetrieb abgestimmten optimalen Wirkungsgrad betrieben wird,
wobei überschüssige elektrische Leistung zur Erzeugung von Wasserstoff und Sauerstoff durch Elektrolyse genutzt wird,
wobei nach Maßgabe von Lastschwankungen des Netzes die Leistungsaufnahme des Elektrolyseurs durch Zu- und Abschalten von Elektroden oder durch Veränderung des Stromflusses so gesteuert wird, dass stets die innerhalb der Primärregeleistung erforderliche Leistung zur sofortigen Einspeisung in das Netz zur Verfügung steht, und
wobei der elektrolytisch erzeugte Wasserstoff als Energieträger gespeichert wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der bei der Elektrolyse entstehende Wasserstoff verflüssigt und als flüssiger Energieträger gespeichert wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Wasserstoff in dezentral angeordneten Elektrolyseanlagen erzeugt wird, deren Betrieb ferngesteuert wird.

4. Verfahren nach Anspruch 3, wobei die Elektrolyseanlagen mit nachgeschalteten Einrichtungen zur Verflüssigung und Speicherung des Wasserstoffes an Tankstellen betrieben werden.

5. Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, wobei die Steuerung der dezentralen Elektrolysenanlagen über Funk folgt.