DE10207791B4

DE10207791B4 - Verfahren zur Nutzung der in einem Wärmekraftwerk zur Anpassung an Netzschwankungen vorgehaltenen Primärregelleistung

Info

Publication number: DE10207791B4
Application number: DE2002107791
Authority: DE
Inventors: Martin Dr.-Ing. Heinen; Ralf Dr.-Ing. Uttich
Original assignee: RWE Power AG
Current assignee: RWE Power AG
Priority date: 2002-02-25
Filing date: 2002-02-25
Publication date: 2010-04-01
Anticipated expiration: 2022-02-26
Also published as: DE10207791A1

Abstract

Verfahren zur Nutzung der in einem Wärmekraftwerk (1) zur Anpassung an Netzschwankungen vorgehaltenen Primärregelleistung (P₀), die bei einer Leistungsanforderung aus einem von dem Wärmekraftwerk (1) gespeisten Netz (3) spontan bereit gestellt wird,
wobei ein Turbinen/Generatorsatz (2) zur Stromerzeugung, dessen elektrische Leistung (P) die Primärregelleistung (P_o) umfasst, unabhängig von der Leistungsanforderung (P_N) aus dem Netz (3) 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 (3) die Leistungsaufnahme der Elektrolyse durch Zu- und Abschalten von Elektroden (9) oder durch Veränderung des Stromflusses so gesteuert wird, dass stets die innerhalb der Primärregelleistung (P_o) erforderliche Leistung zur sofortigen Einspeisung in das Netz (3) zur Verfügung steht,
wobei der elektrolytisch erzeugte Wasserstoff als Energieträger gespeichert wird, und
wobei der bei der Elektrolyse entstehende Wasserstoff...

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. Dabei wird ein Turbinen/Generatorsatz zur Stromerzeugung, dessen elektrische Leistung die Primärregelleistung umfasst, unabhängig von der Leistungsanforderung aus dem Netz mit zusätzlicher Dauerlast bei einem auf den Dauerlastbetrieb abgestimmten optimalen Wirkungsgrad betrieben. Außerdem wird bei dem Verfahren überschüssige elektrische Leistung zur Erzeugung von Wasserstoff und Sauerstoff durch Elektrolyse genutzt und die Leistungsaufnahme der Elektrolyse wird nach Maßgabe von Lastschwankungen durch Zu- und Abschalten von Elektroden oder durch Veränderung des Stromflusses so gesteuert, dass stets die innerhalb der Primärregelleistung erforderliche Leistung zur sofortigen Einspeisung in das Netz zur Verfügung steht. Bei dem Verfahren wird ferner der elektrolytisch erzeugte Wasserstoff als Energieträger gespeichert und der bei der Elektrolyse entstehende Wasserstoff wird verflüssigt und als flüssiger Energieträger gespeichert.
Ein Wärmekraftwerk, bei dem an einer Generatoreinheit ein Block aus Elektrolysezellen zur Regelung der abgegebenen elektrischen Leistung angeschlossen ist, wird in EP 0 084 815 A2 beschrieben. Dort wird auch die Möglichkeit genannt, die Elektrolyse räumlich von derjenigen Kraftwerkskomponente zu trennen, die die Generatoreinheit zur Energiegewinnung umfasst.
Bei der Leistungserzeugung in Kraftwerken ist bekannt, dass sie immer gleich der Leistungsanforderung aus dem Netz sein muss. Um dies zu gewährleisten, wird insbesondere für Wärmekraftwerke mit einer Leistung von mehr als 100 MW gefordert, dass diese in gewissen Grenzen so genannte 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 09-0044118 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 Primärregel leistung in einem Wärmekraftwerk vorgehalten werden muss, ist bisher jedoch nicht in Betracht gezogen worden.
Der Erfindung liegt vor diesem technologischen Hintergrund die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Effizienzsteigerung und Kostenreduzierung bei der Herstellung des Energieträgers Wasserstoff anzugeben.
Gegenstand der Erfindung und Lösung dieser Aufgabe ist ein Verfahren gemäß Anspruch 1. Dabei 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. Elektroloyseanlagen 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 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 Brennstoffzellenmotoren und Wasserstoffmotoren einsetzbar.
Gemäß einer bevorzugten Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann die Fernsteuerung der dezentral angeordneten Elektrolyseanlagen 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
1 ein Verfahren zur Nutzung der in einem Wärmekraftwerk vorgehaltenen Primärregelleistung,
2 ein Anlagenschema für ein Verfahren mit zentraler Erzeugung und Distribution von Wasserstoff,
3 ein Anlagenschema für das erfindungsgemäße Verfahren mit dezentraler Erzeugung und Distribution von Wasserstoff.
Das in den Figuren dargestellte Verfahren nutzt die in einem Wärmekreislauf zur Anpassung an Netzschwankungen vorgehaltene 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 2 dargestellten Anlagenschema ist dem Wärmekraftwerk 1 eine Elektrolyseanlage 4 zugeordnet, deren Leistung auf die im Wärmekraftwerk 1 vorgehaltene Primärregelleistung P_o abgestimmt ist. De Wasserstoff wird zentral, also in einer dem Wärmekraftwerk 1 zugeordneten Anlage 4, erzeugt und in einer nachgeschalteten Einrichtung 10 verflüssigt sowie in einer flüssigen Form gespeichert. Die Distribution des Wasserstoffes erfolgt durch Tankfahrzeuge 11, welche Tankstellen 12 beliefern.
Bei dem in 3 dargestellten erfindungsgemäßen Verfahren 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

Verfahren zur Nutzung der in einem Wärmekraftwerk (1) zur Anpassung an Netzschwankungen vorgehaltenen Primärregelleistung (P₀), die bei einer Leistungsanforderung aus einem von dem Wärmekraftwerk (1) gespeisten Netz (3) spontan bereit gestellt wird, wobei ein Turbinen/Generatorsatz (2) zur Stromerzeugung, dessen elektrische Leistung (P) die Primärregelleistung (P_o) umfasst, unabhängig von der Leistungsanforderung (P_N) aus dem Netz (3) 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 (3) die Leistungsaufnahme der Elektrolyse durch Zu- und Abschalten von Elektroden (9) oder durch Veränderung des Stromflusses so gesteuert wird, dass stets die innerhalb der Primärregelleistung (P_o) erforderliche Leistung zur sofortigen Einspeisung in das Netz (3) zur Verfügung steht, wobei der elektrolytisch erzeugte Wasserstoff als Energieträger gespeichert wird, und wobei der bei der Elektrolyse entstehende Wasserstoff verflüssigt und als flüssiger Energieträger gespeichert wird, dadurch gekennzeichnet, dass der Wasserstoff in dezentral angeordneten Elektrolyseanlagen (4) erzeugt wird, deren Betrieb ferngesteuert wird, und dass die Elektrolyseanlagen (4) mit nachgeschalteten Einrichtungen (10) zur Verflüssigung und Speicherung des Wasserstoffes an Tankstellen (12) betrieben werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerung der dezentralen Elektrolyseanlagen (4) über Funk (13) erfolgt.