DE10260993A1

DE10260993A1 - Verfahren zur Stromerzeugung sowie nach diesen Verfahren betriebene Kraftwerke

Info

Publication number: DE10260993A1
Application number: DE2002160993
Authority: DE
Inventors: Erik Riedel; Joachim Koenig
Original assignee: Riedel Erik Dr-Ing
Current assignee: Riedel Erik Dr-Ing
Priority date: 2002-12-24
Filing date: 2002-12-24
Publication date: 2004-07-08

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Stromerzeugung, bei dem die zu erzeugende Menge der elektrischen Energie an den schwankenden Strombedarf angepasst wird, mit Hilfe eines mit einem oder mehreren Wärmespeichern (2, 79) ausgerüsteten Kraftwerkes (1), dessen wesentliche Bestandteile ein Dampferzeuger (20, 81, 127), ein Wasser/Dampf-Kreislauf, ein Turbinensatz sowie ein Generator (34, 133) sind, wobei das Verfahren in der Weise betrieben wird, dass in Zeiten geringen Strombedarfs Prozesswärme gespeichert und in Zeiten erhöhten Strombedarfs gespeicherte Prozesswärme dazu genutzt wird, zusätzliche Energie zu erzeugen, sowie für die Durchführung des Verfahrens geeignete Kraftwerke; um die Ein- und Ausspeicherung von Prozesswärme zu verbessern, wird das Kraftwerk derart betrieben, dass die in Zeiten geringen Strombedarfs gespeicherte Prozesswärme im Wesentlichen ausreicht, um die in Zeiten mit hohem Strombedarf gefragten Mengen an elektrischer Energie zu liefern.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf Verfahren zur Stromerzeugung, bei denen die zu erzeugende Strommenge an den schwankenden Strombedarf angepasst werden kann. Wesentliche Bestandteile der nach diesen Verfahren betriebenen Kraftwerke sind ein Dampferzeuger, ein Wasser-/Dampfkreislauf, ein Turbinensatz mit zugehörigem Kühlsystem sowie ein Generator. Außerdem bezieht sich die Endung auf für die Durchführung der Verfahren geeignete Kraftwerke.
Bei der Erzeugung elektrischer Energie bzw. elektrischen Stromes besteht das Problem, dass der Strombedarf sowohl tageszeitlich als auch im Jahresverlauf nicht unerheblich schwankt. Die in Spitzenlastzeiten – in der Regel während der Mittagszeit – benötigte Strommenge beträgt das Mehrfache des Strombedarfs in den Nachtstunden. Der stark schwankende Strombedarf wird üblicherweise durch den Einsatz von Kraftwerken gedeckt, die schnell zu- und abgeschaltet sowie schnell geregelt werden können. Unglücklicherweise sind Kraftwerke mit kostengünstigen Brennstoffen (Uran, Braun- und Steinkohle) nur eingeschränkt oder unwirtschaftlich zu- und abschaltbar sowie schwierig regelbar. Sie werden deswegen als sogenannte Grundlastkraftwerke betrieben.
Pumpspeicherkraftwerke sind in der Lage, großtechnisch Spitzenlaststrom bereitzustellen. Aufgrund besonderer geologischer und hydrologischer Anforderungen für den Standort eines Pumpspeicherkraftwerks ist allerdings die Anzahl der Pumpspeicherkraftwerke bzw. deren Leistung stark begrenzt. Die Bereitstellung von Spitzenlaststrom erfolgt deswegen überwiegend mit gasbefeuerten Kraftwerke in konventioneller oder sogenannter GuD-Bauweise. Beim GuD-Prozess handelt es sich um die Kombination eines Gasturbinenprozesses mit einem Dampfturbinenprozess.
Weiterhin werden zur Bereitstellung von Spitzenlaststrom sogenannte offene Gasturbinen verwendet, die zwar schnell regelbar sind, aber einen vergleichsweise niedrigen Wirkungsgrad aufweisen. Diese unterliegen dem Nachteil, dass der Brennstoff Gas im Vergleich zu Kohle teuer ist. Daher ist die Erzeugung von Spitzenlaststrom mit gasbefeuerten Kraftwerken kostspielig.
Vom Grundsatz her geht das erfindungsgemäße Verfahren von der an sich bekannten Idee aus, Prozesswärme während Zeiten mit geringer Stromnachfrage aus einem Kraftwerksprozess auszukoppeln und in einem Wärmespeichermedium zwischenzuspeichern. Während Zeiten hoher Stromnachfrage wird die zwischengespeicherte Prozesswärme in den Wasser-/Dampf-Kreislauf eines Kraftwerks eingespeist und zur Stromerzeugung genutzt. Die Einspeisung der Prozesswärme kann in denselben Kraftwerksprozess erfolgen, dem die Prozesswärme vorher entnommen wurde. Die gespeicherte Prozesswärme kann aber auch in den Wasser/Dampf-Kreislauf eines weiteren Turbosatzes eingespeist werden. Als Wärmespeichermedium kommt ein kostengünstiges Material in Frage, das temperaturfest ist und über eine hohe Wärmespeicherfähigkeit verfügt. Besonders geeignet sind hierfür Metalle und Mineralien, wie z.B. Sand oder Kies.
Aus der DE-A-35 34 687 sind ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Ausregeln von Netzfrequenzeinbrüchen bei einem Dampfkraftwerk bekannt, ohne dass Spitzenlastkraftwerke eingesetzt werden. Zur schnellen Leistungsbereitstellung für die Ausregelung von Netzfrequenzeinbrüchen werden vorübergehend Heizkondensatoren für Fernheizwasser nicht oder mit verminderter Leistung beheizt. Der dadurch in der Turbine verbleibende Dampf erhöht die Turbinenleistung. Dieser Vorschlag nach dem Stand der Technik mag bei Heizkraftwerken einsetzbar sein, die mit Heizkondensatoren zum Betrieb der Fernwärmeheizung ausgerüstet sind. Für Großkraftwerke mit Leistungen über 100 MVA und einem zwischen Schwachlast und Spitzenlast um ein Vielfaches schwankenden Energiebedarf ist der Vorschlag ungeeignet Die US-A-4,479,353 offenbart ein Verfahren zur Ein- und Ausspeicherung von Prozesswärme über den Dampf. Es ist prinzipiell dazu geeignet ist, während Schwachlastzeiten Prozesswärme in einem als Granulat vorliegendem Material zu speichern und in Spitzenlastzeiten für die Erzeugung zusätzlicher elektrischer Energie zu nutzen. Für die Ein- und Ausspeicherung von Prozesswärme wird eine Wärmetauscher-Fließbett-Kombination verwendet. Allerdings ist den in der US-A-4,479,353 dargestellten Verfahrensvarianten eigen, dass nur ein geringer Anteil der Prozesswärme in Höhe von wenigen Prozent für die Einspeicherung bzw. Ausspeicherung genutzt werden kann. Dies liegt bei der in 1 dargestellten Hauptverfahrensvariante daran, dass zum einen die in das Fließbett eingespeicherte Wärme lediglich zur Entlastung der Vorwärmen 96, 98 und 100 eingesetzt wird. Dadurch kann nur eine geringfügig höhere Dampfmenge während der Spitzenlastzeit von den Turbinen 64, 70 und 74 zur Verfügung gestellt werden. In diesem Punkt entspricht die zusätzlich erreichbare Turbinenleistung der zusätzlichen Leistung aus der DE-A-35 34 687 .
Weiterhin ist auch die maximal einspeicherfähige Leistung des Kraftwerks gemäß der US-A-4,479,353 begrenzt, da zum einem der entnommene Frischdampf (Ventil 104, Leitung 105) in dem Wärmetauscher 14 (14A, 14C, 14D, 14F) kondensiert wird und zurück in die Vorwärmerstrecke 51 mittels Pumpe 116 gefördert wird. Dadurch wird dem Zwischenüberhitzer 68 entgegen dem normalen Betrieb diejenige Dampfmenge entzogen, die in die Vorwärmerstrecke 51 rückgespeist wird. Die im Überhitzen 68 fehlende Dampfmenge bewirkt, dass die Temperatur am Ausgang des Überhitzers über die Auslegungstemperatur ansteigen wird, so dass es – falls größere Frischdampfmengen über die Leitung 105 entnommen werden – zu einer Lebensdauerverkürzung bis zur Zerstörung des Zwischenüberhitzers kommen kann. Zum einen scheidet die Möglichkeit einer Kompensation des fehlenden Dampfmassenstroms am Eintritt des Überhitzers durch Einspritzen von flüssigem Wasser aus, da durch Flüssigkeitstropfen im Überhitzereintritt ebenfalls die Materialien geschädigt würden. Zum anderen ist die zum Einspeichern auskoppelbare Wärmemenge auch dadurch begrenzt, dass die zum Einspeichern dem Austritt des Zwischenüberhitzers entnommene Dampfmenge (Leitung 109) augenscheinlich ebenfalls im Wärmetauscher 14 (14B, 14E) kondensiert wird, da am Austritt des Wärmetauscherbereichs 14E der Massenstrom mittels einer Pumpe 114 in den Eintritt des Zwischenüberhitzers 68 eingebracht wird. Da bekannterweise nur Flüssigkeiten gepumpt werden können, ist demzufolge von einer Kondensation des über die Leitung 109 entnommenen zwischenüberhitzten Dampfs auszugehen. Auch hier wäre bei der Einspeisung von flüssigem Wasser in den Eintritt des Zwischenüberhitzers bei größeren Wassermengen von einer nachhaltigen Schädigung oder Zerstörung des Zwischenüberhitzers auszugehen.
Die in der US-A-4,479,353 , 6 dargestellte Verfahrensvariante erlaubt ebenfalls nur die Verwendung einer geringen Dampfmenge zum Zweck der Ein- bzw. Ausspeicherung. Ursächlich hierfür ist, dass wie bei der in 1 dargestellten Hauptvariante des Verfahrens augenscheinlich kondensierter Dampf – also Wasser – in den Eintritt des Zwischenüberhitzers 68 mittels Pumpe 114 gefördert wird. Dies ist nur im geringen Umfang möglich, da anderenfalls mit den schon beschriebenen Schäden des Zwischenüberhitzers zu rechnen ist. Da im Wärmetauscher 21 keine Zwischenüberhitzung vorgesehen ist, müssen während der Ausspeicherphase Wirkungsgradeinbußen bei der Erzeugung der elektrischen Energie in Kauf genommen werden.
Schließlich offenbart 10 der US-A-4,479,353 eine Lösung für das Ein- und Ausspeichern von Prozesswärme bei einem Kernkraftwerk. Auch bei dieser Ausführung wird die eingespeicherte Wärme nur zur Entlastung der Speisewasservorwärmer eingesetzt. Während der Einspeicherung kondensiert der Dampf. Das Wasser wird mit Hilfe einer Pumpe und einer Wasserturbine 239 zum Dampferzeuger zurückgeführt.
Zusammenfassend ist zum Stand der Technik nach der US-A-4,479,353 festzustellen, dass es mit Umsetzung der offenbarten Verfahrensvarianten nicht möglich ist, über den Dampf Prozesswärme in dem Umfang ein- und wieder auszuspeichern, wie es erforderlich wäre, um mit der zurückgehaltenen bzw. zusätzlich erzeugten Energie einen Ausgleich der in der Praxis vorkommenden Schwankungen des Energiebedarfs auch nur annähernd zu erreichen. Separate, der Erzeugung von Spitzenlastströmen dienende Einrichtungen sind nach wie vor erforderlich. Außerdem besteht die Gefahr einer nachhaltigen Schädigung oder Zerstörung von Kraftwerkskomponenten. Die ca. 30 Jahre alten Vorschläge nach der US-A-4,479,353 haben sich auf dem Markt nicht durchgesetzt. Kern der Vorschläge nach der genannten US-Schrift ist ohnehin nur, die Technik bewegter Wärmespeicherschüttungen bei Kraftwerken praktisch einsetzbar zu machen und nicht die Optimierung der Ein- und Ausspeicherung von Prozesswärme.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei Verfahren der eingangs erwähnten Art sowie bei nach diesen Verfahren betriebene Kraftwerken die Ein- und Ausspeicherfähigkeit von Prozesswärme derart zu verbessern, dass die in Zeiten geringen Energiebedarfs gespeicherte Prozesswärme im wesentlichen ausreicht, um die in Zeiten mit hohem Energiebedarf benötigten Strommengen zu liefern.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die Maßnahmen und Merkmale der Patentansprüche gelöst. Dadurch, dass die erfindungsgemäßen Verfahren so betrieben werden und die nach diesen Verfahren betriebenen Kraftwerke so ausgebildet sind, dass die in Zeiten geringer Stromnachfrage gespeicherte Prozesswärme im wesentlichen ausreicht, um die in Zeiten mit hohem Strombedarf gefragten Mengen an elektrischer Energie zu liefern, wird der Vorteil erreicht, dass die Stromnachfrage in Spitzenlastzeiten im wesentlichen zu Grundlastarbeitskosten bereitgestellt und geliefert werden kann. Besonders günstig ist es, das Kraftwerk ständig mit Volllast zu betreiben.
Im Rahmen der Erfindung soll es allerdings nicht völlig ausgeschlossen sein, dass auch die Leistung des Kraftwerkes in begrenztem Maße dem schwankenden Bedarf angepasst wird. Bei Grundlastkraftwerken ist dieses ohnehin nur langsam und in begrenztem Rahmen möglich. Bei GuD-Kraftwerken wäre die Anpassung zwar schneller möglich, sollte aber dann, wenn eine lange Lebensdauer der Dampfturbine Priorität hat, ebenfalls nur in begrenztem Umfang stattfinden.
Thermische Kraftwerke erzeugen Prozesswärme, die über Entspannungsturbinen und Generatoren in elektrische Energie umgewandelt wird. Wenn das Stromangebot größer als die Stromnachfrage ist, also wenn ein Angebotsüberschuss besteht, wird mit dem erfindungsgemäßen Verfahren Prozesswärme teilweise oder vollständig in einen Wärmespeicher eingebracht und nicht mehr für die unmittelbare Stromproduktion verwendet. Dadurch wird die Differenz zwischen Stromnachfrage und Stromangebot teilweise oder nahezu vollständig ausgeglichen. Folglich wird ein unwirtschaftliches An- und Abfahren von Kraftwerken vermieden. Wenn die Stromnachfrage größer als das Stromangebot ist – also in Zeiten mit sogenanntem Nachfrageüberschuss – wird Prozesswärme aus dem Wärmespeicher entnommen und zusätzlich für die Stromproduktion verwendet. Auch hierdurch wird der Unterschied zwischen Stromangebot und Stromnachfrage ausgeglichen, ohne dass zusätzlich Kraftwerke mit hohen Stromgestehungskosten eingesetzt werden müssen.
Es besteht desweiteren die Möglichkeit, beim Ein- bzw. Ausspeichern durch Leistungserhöhung bzw. Leistungsrücknahme der Kraftwerke Beiträge zur Stabilisierung der Netzfrequenz zu leisten. Für diesen Zweck eignen sich Wärmespeicher besonders gut, da mit ihnen deutlich schneller als mit herkömmlichen Dampferzeugern Laständerungen vorgenommen werden können.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann somit sowohl zum Ausgleich des Ungleichgewichts zwischen Stromerzeugung und Stromverbrauch im Sekunden- und Minutenbereich zur Stabilisierung der Netzfrequenz – kurz zur Bereitstellung von sogenannter Regelenergie – als auch zum Ausgleich der Unterschiede im Tages- oder Wochenbereich – kurz zum sogenannten Load Levelling – eingesetzt werden.
Dadurch, dass in Schwachlastzeiten eingespeicherte Prozesswärme zur Deckung des in Spitzenlastzeiten erforderlichen Energiebedarfs dient, ist es nicht mehr erforderlich, komplette, mit teuren Brennstoffen befeuerte Kraftwerke oder ähnliche Einrichtungen einzusetzen. Die in Spitzenlastzeiten zusätzlich bereitgestellte elektrische Energie stammt aus dem kostengünstigen Brennstoff des zweckmäßigerweise in der Grundlast betriebenen Kraftwerks. Die Kosten, die mit der Einspeicherung und Ausspeicherung der Prozesswärme verbunden sind, sind gegenüber den Kosten eines Kraftwerks, das teure Brennstoffe einsetzt, deutlich niedriger.
Gegenstand der vorliegenden Erfindung sind unterschiedliche Formen der Ein- und Ausspeicherverfahren: Zum einen kann die Ein- und Ausspeicherung über den Dampf erfolgen. Hierbei wird dem Wasser-/Dampfkreislauf des Kraftwerksprozesses Dampf (Frischdampf, zwischenüberhitzter Dampf) entnommen und die in dem Dampf enthaltene Wärme teilweise oder nahezu vollständig gespeichert. Während der Ausspeicherung wird mit Hilfe der gespeicherten Wärme zusätzlicher Dampf erzeugt. Die Einspeisung der Prozesswärme kann in den selben Wasser-/Dampfkreislauf erfolgen, dem die Prozesswärme vorher entnommen wurde. Die gespeicherte Prozesswärme kann aber auch in den Wasser-/Dampfkreislauf eines weiteren Kraftwerks eingespeist werden.
Als Wärmespeichermedium kommt ein kostengünstiges Material in Frage, das temperaturfest ist und über eine hohe Wärmespeicherfähigkeit verfügt. Besonders geeignet sind hierfür Metalle und Mineralien, wie z.B. Sand, Kies oder Schamotte.
Weiterhin besteht die Möglichkeit der Ein- und Ausspeicherung über Gase. Bei diesem Verfahren wird die im Rauchgas eines Dampferzeugers oder einer Gasturbine enthaltene Wärme teilweise oder nahezu vollständig gespeichert z. B. in einem Speicher, der einem Winderhitzer ähnlich ist. Winderhitzer stellen in Stahlwerken hinsichtlich der Wärmespeicherung den Stand der Technik dar. Die Ausspeicherung erfolgt ebenfalls über Gase, die den Speicher durchströmen und anschließend dem selben oder einem separaten Dampferzeuger zugeführt werden.
Möglich sind auch die Verfahrensweisen, bei denen die Wärme über Prozessdampf eingespeichert und über Gase ausgespeichert wird – und umgekehrt.
Der Gegenstand der vorliegenden Erfindung umfaßt demnach mehrere Varianten, auf deren Vorteile noch eingegangen werden soll:

– Bei der ersten Variante wird ein Wärmespeichermedium während Zeiten mit geringem Strombedarf mit Prozessdampf aufgeheizt, der dem Wasser-/Dampfkreislauf eines. Kraftwerks entnommen wird, das beispielsweise zur Abdeckung von Grundlast eingesetzt wird. Dadurch wird verfügbare Wärmeenergie, die zu diesem Zeitpunkt nicht in elektrische Energie umgewandelt werden kann, für Zeiten hoher Stromnachfrage zwischengespeichert. In Zeiten mit hoher Stromnachfrage erfolgt die Ausspeicherung der Wärmeenergie in einen zweiten Wasser-/Dampfkreislauf mit eigenen Turbinen. In Spitzenlastzeiten liefern der Generator des Grundlastkraftwerks und ein mit den zusätzlichen Turbinen betriebener Generator den Spitzenlaststrom. Diese Variante ermöglicht es, bereits an Kraftwerksstandorten vorhandene Einrichtungen zu nutzen. Sie ist an Standorten realisierbar, wo neben einem Kraftwerk, das weitgehend in der Grundlast betrieben wird, noch mindestens ein weiteres defizitäres oder ertragsschwaches Kraftwerk vorhanden ist. Dadurch, dass Komponenten und Bauteile ertragsseitig uninteressanter Kraftwerke (Turbinen, Kühlkreislauf, Generator, elektrische Ableitung usw.) für die Bereitstellung des Spitzenlaststromes mitgenutzt werden, sind die spezifischen Investitionskosten vergleichsweise gering, da im wesentlichen lediglich in den Wärmespeicher selbst und die dazu gehörige Meß- und Regelungstechnik investiert werden muss.
– Bei der zweiten Variante wird ebenfalls – wie vorstehend beschrieben – in Zeiten mit geringem Strombedarf über den Prozessdampf Wärme ausgespeichert. Die Einspeicherung erfolgt jedoch in den selben Wasser-/Dampfkreislauf, dem die in Schwachlastzeiten überschüssige Energie entnommen wurde. Voraussetzung für die Realisierbarkeit dieser Variante ist, dass der Turbinensatz und der Generator des Kraftwerks so dimensioniert sind, dass sie den in Spitzenlastzeiten hohen Bedarf an elektrischer Energie erzeugen können. Diese Variante eignet sich deshalb insbesondere für Kraftwerksneubauten, bei denen der Wärmespeicher und seine Einbindung in den Kraftwerksprozess bei der Planung und Auslegung von vorne herein mit berücksichtigt werden kann.
– Bei weiteren Varianten erfolgt die Ein- und Ausspeicherung von Wärme über Gase, die aus der Verbrennung stammen und damit hohe Temperaturen aufweisen. Hierfür kommen sowohl Gase aus der Verbrennung von Kohle als auch aus der Verbrennung von Erdgas, Grubengas, Kokereigas und weiteren brennbaren Energieträger in Frage. In Zeiten mit geringem Strombedarf durchströmen die heißen Verbrennungsgase einen Speicher, in dem nicht benötigte Wärme gespeichert wird. In Zeiten mit hohem Strombedarf erfolgt die Ausspeicherung der Wärme, um zusätzlich Strom zu erzeugen. Wie bei der Beschreibung der ersten Varianten erläutert, kann die ausgespeicherte Wärme einem separaten Wasser-/Dampfkreislauf mit zusätzlichen Turbinen zugeführt werden, mit denen ein weiterer Generator zur Erzeugung des Spitzenlaststromes betrieben wird. Die ausgespeicherte Wärme kann auch dem Wasser-/Dampfkreislauf des Kraftwerks zurückgeführt werden, dem sie ursprünglich entnommen wurde. Die zurückgeführte Wärme dient der Erzeugung von weiterem Dampf, dessen Wärme über die üblichen Umwandlungsschritte mittels der Turbinen und des Generators in elektrischen Strom umgewandelt wird, um den erhöhten Strombedarf zu decken. Bei der letzten Variante des Verfahrens erfolgt die Ein- und Ausspeicherung ebenfalls über Gase. Bei dieser Variante, die auf GuD-Anlagen zugeschnitten ist, ist der Wärmespeicher innerhalb des GuD-Prozesses im Rauchgasverlauf zwischen dem Austritt aus einer Gasturbine und dem Eintritt in den Abhitzekessel des GuD-Kraftwerks angeordnet. Hierdurch wird eine Entkopplung der Gasturbine von dem Abhitzekessel erreicht. Dies ermöglicht es, die schnell regelbare Gasturbine zur Bereitstellung von Regelenergie zu nutzen, ohne den Abhitzeprozess eines GuD-Kraftwerks zu beeinflussen. Bei einer Verfahrensweise im Sinne der vorliegenden Erfindung wird die Gasturbine mit im wesentlichen konstanter Leistung betrieben. Die Leistungsregelung erfolgt über die Dampfturbinen. Eine mit konstanter Leistung gefahrene Gasturbine hat eine wesentlich höhere Lebensdauer als eine mit schnellen Lastwechseln betriebene Gasturbine. Die erhöhten Brennstoffkosten werden durch Einsparungen an Anschaffungs- und Wartungskosten kompensiert.

Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung sollen anhand von in den 1 bis 12 schematisch dargestellten Ausführungsbeispielen erläutert werden. Es zeigen:
1
eine Ausführung, bei der in Zeiten mit geringem Strombedarf die im Dampf eines ersten Kraftwerks enthaltene Wärme über in einen Wärmespeicher eingespeichert wird und bei der in Zeiten mit hohem Energiebedarf die im Speicher enthaltene Wärme ausgespeichert und einem zweiten Kraftwerk zugeführt wird. Die möglichen technischen Ausführungen eines Wärmespeichers sind in den 5 bis 12 dargestellt.
2
das Verfahrensfließbild eines Kraftwerks mit seinen typischen Kraftwerkskomponenten sowie mit einem Wärmespeicher zur Erläuterung der erfindungsgemäßen Ein- und Ausspeicherung von Prozesswärme über das Prozessmedium Dampf. Die gespeicherte Wärme wird in Zeiten mit hohem Strombedarf in den Wasser-/Dampfkreislauf des selben Kraftwerks zurückgeführt, dem die Wärme in Zeiten mit geringem Strombedarf entnommen wurde.
3
eine Ausführung, bei der die Ein- und Ausspeicherung von Prozesswärme in Zeiten mit geringem Strombedarf über Gase erfolgt.
4
eine Ausführung mit Ein- und Ausspeicherung von Prozesswärme über Gase, bei dem ein oder mehrere GuD-Kraftwerke zur Erzeugung von Spitzenlaststrom eingesetzt werden;
5
die Darstellung der Funktionsweise von Wärmespeichern, die nach dem Schicht- oder Zellenspeicherprinzip arbeiten
6 bis 12
Beispiele für mögliche technische Ausführungen von Wärmespeichern.
Bei der in 1 dargestellten Ausführungsform für ein Kraftwerk 1 mit einem Wärmespeicher 2 wird zunächst kurz der Kraftwerksprozess selbst ohne Einbeziehung des Wärmespeichers 2 beschrieben. Es wird begonnen mit dem aus der Niederdruckturbine 3 austretenden, entspannten Dampf, der an dieser Stelle eine Temperatur von ca. 40 °C hat und unter einem Druck von ca. 30 bis 50 mbar steht. Über die Leitung 4 gelangt der Dampf in den Kondensator 5 und wird dort kondensiert. Aus dem Kondensator 5 austretendes Prozesswasser wird über die Leitung 6 der Kondensatpumpe 7 und den sich daran anschließenden Vorwärmen 8, 9 und 11 zugeführt. Die Beheizung der Vorwärmer erfolgt mit Dampf aus unterschiedlichen Entnahmestellen der Turbinen 13 und 3 über die Leitungen 14, 15 und 16. Beim Durchströmen der Vorwärmer 8, 9 und 11 kondensiert der aus den Turbinen entnommene Dampf. Auf die allgemein üblichen Hochdruckvorwärmer, die mit Dampf durch Anzapfungen der Hochdruckturbine 12 beheizt werden, wurde aus Gründen der Vereinfachung verzichtet. Das Kondensat wird über die Leitung 17 dem Speisewasserbehälter 18 zugeführt. In den Speisewasserbehälter 18 gelangt auch das von der Kondensatpumpe 7 geförderte Prozesswasser, das dort einen entsprechend höheren Druck aufweist. Im Speisewasserbehälter 18 herrschen typischerweise eine Temperatur von ca. 160°C und ein Druck von ca. 8 bar.
Hinter dem Speisewasserbehälter 18 wird der Druck des vorgewärmten Wassers mit der Speisepumpe 19 weiter erhöht. Das Prozesswasser tritt mit einem Druck von ca. 220 bar in den Dampferzeuger 20 ein, dessen Bestandteile ein Economizer 21, ein Verdampfer 22, ein Überhitzer 23 sowie ein Zwischenüberhitzer 28 sind.
Der Dampferzeuger 20 kann mit festen, flüssigen oder gasförmigen Brennstoffen (Kohle, Abfall, Biomasse, Holz, brennbaren Rückstände, Öl, Erdgas, Kohlegas usw.) beheizt werden. Dafür geeignete Feuerungseinrichtungen sind aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht dargestellt. Auch der Einsatz von Kernkraft zur gewünschten Dampferzeugung ist möglich. Im Sinne der Erfindung sollte ein möglichst preiswerter Brennstoff verwendet werden, da mit der dem Dampferzeuger 20 zugeführten Energie nicht nur die Grundlast gedeckt sondern auch der in Zeiten hohen Strombedarfs benötigte Spitzenlaststrom kostengünstig erzeugt werden soll.
Typische Zustandsgrößen für den in die Leitung 24 eintretenden Frischdampf liegen bei 530°C bis 630°C und 180 bar bis 250 bar. Über die Leitung 24 mit dem Ventil 25 gelangt der Frischdampf in die Hochdruckturbine 12 und wird dort auf einen Druck von etwa 30 bar bis 45 bar entspannt. Die Temperatur des Dampfs beträgt an dieser Stelle 300°C bis 350°C. Nach dieser Entspannung wird der Dampf über die Leitung 26 in den Zwischenüberhitzer 28 gefördert und dort erneut aufgeheizt. Typische Zustandsgrößen für den sogenannten überhitzten Dampf sind 530°C und 40 bar.
Nach dem Austritt aus dem Zwischenüberhitzer 28 gelangt der Dampf über die Leitung 29 mit dem Ventil 31 in die Mitteldruckturbine 13 und anschließend über die Leitung 32 in die Niederdruckturbine 3. In der Verbindungsleitung 32 zwischen Mitteldruckturbine 13 und Niederdruckturbine 3 hat der Dampf eine Temperatur von etwa 350°C und einen Druck von 8 bar. Mit dem aus der Niederdruckturbine 3 austretenden Dampf schließt sich der beschriebene Wasser-/Dampfkreislauf des Kraftwerks. Auf die Darstellung weiterer Nebenkreisläufe des Kraftwerksprozesses wird an dieser Stelle verzichtet, da sie für die Beschreibung der erfindungsgemäßen Idee nicht relevant sind.
Aufgrund der Entspannung des Frischdampfs in der Hochdruckturbine 12 sowie des zwischenüberhitzten Dampfs in der Mitteldruck- und Niederdruckturbine 13 und 3 wird Arbeit an die in der Regel gemeinsame Turbinenwelle 33 abgegeben. Über die Turbinenwelle 33 erfolgt der Antrieb des Generators 34, in dem die Rotationsenergie der Turbinen in elektrische Energie umgeformt wird.
Bei einem Kraftwerk üblicher Bauart besitzen die Frischdampfleitung 24 und die den zwischenüberhitzten Dampf führende Leitung 29 keine Ventile. Die Funktion dieser für des Wärmespeicherkraftwerk notwendigen Ventile wird weiter unten erläutert.
Während Zeiten von Überschuß an Stromangebot – also Zeiten, in denen die Nachfrage an elektrischem Strom, gering ist und demzufolge auch das Preisniveau niedrig ist – wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren aus dem beschriebenen Kraftwerksprozess Wärme ausgekoppelt und in einem Wärmespeichermedium zwischengespeichert, um während Zeiten hoher Stromnachfrage bzw. hoher Strompreise zur Stromerzeugung verwendet zu werden. Das Wärmespeichermedium befindet sich im als rechteckigen Block dargestellten Wärmetauscher-/ Wärmespeichersystem 2. Mögliche technische Ausführungen der Übertragung der Prozesswärme an das Wärmespeichermedium und der Wärme im Wärmespeichermedium an das prozessdampfführende bzw. an Rauchgase enthalten die 5 bis 12.
Um dem Wärmespeicher 2 mit Frischdampf, der über die Leitung 24 aus dem Überhitzer 23 austritt, beaufschlagen zu können, ist eine den Wasser-/Dampfkreislauf und den Wärmespeicher verbindende Leitung 38 mit dem Ventil 39 vorgesehen. Die Leitung 38 zweigt in Strömungsrichtung vor dem Ventil 25 von der Frischdampfleitung 24 ab. Über eine weitere Leitung 41 steht der Wärmespeicher 2 mit der Leitung 26 in Verbindung, über die in der Hochdruckturbine 12 entspannter Dampf in den Zwischenüberhitzer 28 gelangt.
Um dem Wärmespeicher 2 auch zwischenüberhitzten Dampf zuführen zu können, steht der Wasser-/Dampfkreislauf mit dem Wärmespeicher 2 über die Leitung 44 mit dem Ventil 45 in Verbindung. Die Verbindungsleitung 44 zweigt von der Leitung 29 ab, und zwar in Strömungsrichtung vor dem Ventil 31. Über eine weitere Leitung 46 mit dem Ventil 47 steht der Wärmespeicher 2 mit dem Speisewasserbehälter 18 in Verbindung.
Zum Einspeichern von Prozesswärme in das Wärmespeichermedium im Wärmespeicher 2 wird durch teilweises oder vollständiges Öffnen des Ventils 39 bzw. teilweises oder vollständiges Schließen des Ventils 25 der gesamte Frischdampf oder auch ein Teilstrom des Frischdampfs aus der Leitung 24 dem eigentlichen Kraftwerksprozess entnommen und über die Leitung 38 durch den Wärmespeicher 2 geleitet. Zeitgleich wird durch teilweises oder vollständiges Öffnen des Ventils 45 bzw. teilweises oder vollständiges Schließen des Ventils 31 der gesamte oder auch ein Teilstrom des zwischenüberhitzten Dampfs in Strömungsrichtung hinter dem Zwischenüberhitzer 28 aus der Leitung 29 dem Kraftwerksprozess entnommen und über die Leitung 44 zum Wärmespeicher 2 geführt.
Von Bedeutung ist, dass der Frischdampf in etwa denjenigen Teil der in ihm enthaltenen Enthalpie an das Speichermedium abgibt, der auch dem Frischdampf in der Hochdruckturbine 12 entnommen worden wäre. Dieses kann beispielsweise durch geeignete Auslegung des Wärmespeichers hinsichtlich Druckverlust, Strömungswiderstand und/oder Wärmetauscherflächen erreicht werden. Dabei bildet der Wärmespeicher thermodynamisch die Hochdruckturbine 12 ab. Zur Erreichung des Zieles, in etwa gleiche Dampfzustände einzustellen, können auch Drosseln in Strömungsrichtung hinter dem Wärmespeicher 2 eingesetzt werden. Wesentlich ist, dass die Zustandsgrößen in Strömungsrichtung hinter dem Austritt aus dem Wärmespeicher 2 der in Leitung 41 auf die Werte absinken, die in der Leitung 26 zwischen Hochdruckturbine 12 und Zwischenüberhitzer 28 beim Normalbetrieb des Kraftwerks herrschen. Die beschriebene Auslegung hat den Vorteil, dass im Extremfall sogar der gesamte Frischdampf zum Einspeichern verwendet werden kann.
Beim Durchgang des zwischenüberhitzten Dampfs durch den Wärmespeicher 2, beispielsweise durch Rohrschlangen, findet gemäß Schaltung aus 1 eine Kondensation statt. Das Kondensat wird über die Leitung 46 dem Speisewasserbehälter 18 oder einem anderen geeigneten Einspeisepunkt zwischen Kondensator 5 und Eintritt in den Economizer 21 geleitet.
Dadurch, dass der zwischenüberhitzte Dampf kondensiert und die Kondensationswärme überwiegend an das Speichermedium abgegeben wird, werden beim Einspeichervorgang sogenannte Kondensationsverluste weitgehend vermieden. Es ist ebenso denkbar, auf eine Kondensation des Dampfs zu verzichten und den Dampf im Kondensator des Kraftwerkes zu verflüssigen. In diesem Fall würden beim Ein- und Ausspeichern erhebliche Wärmeverluste im Kondensator entstehen. In Folge dessen sinkt der Ein- und Ausspeicherwirkungsgrad deutlich.
Anhand der 1 wird diejenige Variante der Ausspeicherung erläutert, bei der die eingespeicherte Wärme über die Turbinen und den Generator eines zweiten beispielsweise älteren Kraftwerks in elektrischen Strom umgewandelt wird, das sonst, z. B. aus wirtschaftlichen Gründen, nicht mehr betrieben würde. Die Speisepumpe 64 des zweiten Kraftwerks fördert Wasser über die Leitung 48 in den Wärmespeicher 2. Dort wird das Wasser erwärmt, verdampft und anschließend überhitzt. Dabei übernimmt der Wärmespeicher die Funktion eines Kraftwerkskessels. Über die Leitung 48 wird die Hochdruckturbine 67 des zweiten Kraftwerks mit Frischdampf versorgt. Nach dem Austritt aus der Hochdruckturbine wird der Prozessdampf über die Leitung 50 wieder in den Wärmespeicher 2 zurückgeführt und erneut aufgeheizt. Der nunmehr zwischenüberhitzte Dampf wird anschließend über die Leitung 51 in die Mitteldruckturbine 52 geleitet, dort teilweise entspannt und über die Leitung 53 in der Niederdruckturbine 54 zur weiteren Entspannung geführt. Die Turbinen 67, 52 und 54 sind über eine Welle 65 mit dem Generator 55 verbunden, der die Rotationsenergie der Turbinen in elektrische Energie umwandelt. Im Kondensator 56 wird der aus der Niederdruckturbine austretende Dampf kondensiert. Über die Leitung 57 gelangt das Prozesswasser in die Kondensatpumpe 58, wo sein Druck erhöht wird. In den Vorwärmern 59, 60 und 61 wird das Prozesswasser erwärmt und anschließend in den Speisewasserbehälter 62 gefördert. Von dort aus gelangt das Prozesswasser wieder in die eingangs beschriebene Speisepumpe 64. Die Vorwärmer werden mit Anzapfungen aus den Turbinen 52 und 54 über die Leitungen 68, 69 und 71 versorgt. Auf die allgemein üblichen Hochdruckvorwärmer, die mit Dampf durch Anzapfungen der Hochdruckturbine 67 beheizt werden, wurde aus Gründen Vereinfachung verzichtet.
Bei der beschriebenen verfahrenstechnischen Gestaltung ist sichergestellt, dass der Dampferzeuger 20 einschließlich des Zwischenüberhitzers 28 des Kraftwerks unabhängig von der Fahrweise des Wärmespeichers (Einspeicherung, Ausspeicherung, keine Speichervorgänge sowie teilweise oder komplette Umfahrung) betrieben werden kann, da hinsichtlich der Zustandsgrößen des Dampfs und der Dampfmengen keine Unterschiede für den Dampferzeuger auftreten. Von wirtschaftlichem Vorteil ist, dass bei dem zweiten Kraftwerk auf den Dampferzeuger einschließlich seiner Brennstoffversorgung und Rauchgasreinigung verzichtet werden kann. Dies bedeutet, dass mit der in 1 dargestellten Verfahrensvariante zwar die Leistung des Kraftwerks zu den ertragreichen Tageszeiten zur Verfügung steht, aber ein Großteil der Betriebskosten eingespart werden kann.
2 zeigt eine Verfahrensvariante bei der während der Ausspeicherphase die Wärme in den selben Wasser-/Dampfkreislauf eingebracht wird, aus dem sie entnommen wurde. Voraussetzung hierfür ist, dass der Wasser-/Dampfkreislauf in Strömungsrichtung hinter dem Austritt aus dem Überhitzer 23 bis zum Eintritt in den Economizer 21 so ausgelegt ist, dass die im Wärmespeicher 2 bereitgestellte Wärmemenge zusätzlich verarbeitet, d. h. in Strom umgewandelt werden kann. Der Kraftwerksprozess selbst und der Einspeichervorgang sind identisch mit der Verfahrensvariante, die in 1 darstellt ist.
Bei der Ausführung nach 2 ist die Leitung 46 vor dem Ventil 47 über die Leitung 10 mit dem Ventil 66 mit dem Auslaß der Speisewasserpumpe 19 verbunden. Beim Ausspeichern wird das Ventil 66 in 2 ganz oder teilweise geöffnet und das Ventil 47 vollständig geschlossen. Über die Leitung 10 tritt das von der Speisepumpe 19 geförderte Prozesswasser in den Wärmespeicher 2 ein. Dort wird das Prozesswasser erwärmt, verdampft und überhitzt, um dann über die Leitungen 38 und 24 bei geöffneten Ventilen 39 und 25 zur Hochdruckturbine 12 geleitet zu werden.
Die geschilderte Führung des Wasser/Dampfes im in dieser Figur zweiteilig ausgeführten Wärmespeichers 2 ist nicht exakt dargestellt. Ein gestrichelt als Block 70 dargestelltes Ventilsystem befindet sich zwischen den beiden Gehäusen des Wärmespeichers 2. Im Zusammenhang mit 6 wird das Ventilsystem genauer erläutert.
Bei ganz oder teilweise geöffneten Ventil 45 wird hinter dem Austritt der Hochdruckturbine 12 eine Teilmenge des Prozessdampfs aus Leitung 26 über Leitung 41 in den Wärmespeicher 2 eingebracht. Dort wird der Prozessdampf überhitzt, d.h. hier nimmt der Wärmespeicher die Funktion des Zwischenüberhitzers wahr. Der zwischenüberhitzte Dampf verlässt den Wärmespeicher 2 über Leitung 44 und wird über Leitung 29 bei geöffneten Ventil 31 der Mitteldruckturbine 13 und weiter über die Leitung 32 bzw. der Niederdruckturbine 3 zugeführt. Dabei wird die Energie des aus dem Wärmespeicher 2 austretenden Prozessdampfs in einem üblichen Dampfturbinenprozess in elektrische Energie umgewandelt.
Durch die beschriebene verfahrenstechnische Gestaltung ist auch in diesem Falle sichergestellt, dass der Dampferzeuger 20 einschließlich des Zwischenüberhitzers 28 des Kraftwerks unabhängig von der Fahrweise des Wärmespeichers (Einspeicherung, Ausspeicherung, keine Speichervorgänge sowie teilweise oder komplette Umfahrung) weiterbetrieben werden kann, da hinsichtlich der Zustandsgrößen des Dampfs und der Dampfmengen keine Unterschiede für den Dampferzeuger auftreten.
Zweckmäßigerweise sind der Wärmespeicher 2, die Turbinen und das zugehörige Wasser-/ Dampfsystem (Turbinen 12, 13, 3, Generator 34, Kondensator 5, Kondensatpumpe 7, Vorwärmerstrecke 8, 9, 11, Speisewasserbehälter 18 und Speisepumpe 19) so dimensioniert, dass im Spitzenlastfall der im Dampferzeuger 20 bei Volllast hergestellte Dampf und zusätzlich der im Wärmespeicher 2 erzeugte Dampf gleichzeitig verarbeitet und seine Energie in Strom umgewandelt werden kann.
In 3 ist eine Variante des Wärmespeicherkraftwerks dargestellt, bei der als Prozessmedium Rauchgas verwendet wird.
Zunächst wird der vereinfachte Kraftwerksprozess ohne Berücksichtigung des Wärmespeichers dargestellt. Die Klappen 90 und 91 sind hierfür geschlossen, die Klappe 82 ist geöffnet.
Der Brennstoff wird über geeignete Fördereinrichtungen 73 in die Brennkammer bzw. den Feuerraum 74 eingebracht. Die Verbrennungsluft wird über einen Kanal mit einem Gebläse 72 ebenfalls in die Brennkammer 74 gefördert. Dort wird der Brennstoff gezündet und verbrannt. Über Kanal 75 wird das heiße Rauchgas in den Dampferzeuger 81 geleitet. Bei vielen Kraftwerksanlagen stellen der Dampferzeuger und die Brennkammer eine gemeinsame bauliche Einheit dar. Zur verbesserten Darstellung sind in 3 diese Komponenten entsprechend ihrer Funktion getrennt dargestellt. Der im Dampferzeuger 81 erzeugte Prozessdampf wird anschließend in der vereinfacht dargestellten Turbinen- und Generatorgruppe 84 in Strom umgewandelt. Auf die Darstellung von Kondensator, Speisepumpen, Vorwärmer usw. wird aus Gründen der Vereinfachung verzichtet, da diese Komponenten für die Erläuterung der Verfahrensvariante nicht relevant sind. Das Rauchgas verlässt den Dampferzeuger 81 über Leitung 83 und wird, falls erforderlich, gereinigt und abschließend in die Atmosphäre abgeleitet.
Zum Einspeichern von Prozesswärme wird die Klappe 91 geöffnet. Mittels Gebläse 92 wird der gesamte Rauchgasstrom oder ein Teil davon aus Leitung 75 über die Leitungen 76 und 78 zum den Wärmespeicher 79 geleitet. Speziell bei Kraftwerken mit Kohlefeuerung kann eine Entstaubungsanlage 77 sinnvoll sein, um über geeignete Entstaubungsmaßnahmen ein Zusetzen der Wärmespeicherschüttung durch im Rauchgas enthaltenen Staub zu vermeiden. Beim Einsatz gasförmiger Brennstoffe , z. B. Erdgas, erübrigen sich Entstaubungsmaßnahmen. Das Rauchgas tritt über Kanal 78 in den Wärmespeicher 79 ein. Dort wird das Rauchgas abgekühlt und der größte Teil der in ihm enthaltenden Wärme an das Wärmespeichermedium abgegeben. Das Wärmespeicherprinzip bzw. der innere Aufbau des Wärmespeichers werden in den 5 bis 12 ausführlich dargestellt. Das abgekühlte Rauchgas wird über Leitung 80 und das Gebläse 92 in die Leitung 83 geleitet.
Zum Ausspeichern wird die Klappe 91 geschlossen und Klappe 90 geöffnet. Mittels Saugzug 89 wird Rauchgas über Kanal 80 in den Wärmespeicher 79 gefördert. Das Rauchgas wird durch das heiße Wärmespeichermedium erhitzt und über Leitung 85 in einen zweiten Dampferzeuger 86 eingeleitet. Die im Rauchgas enthaltene Prozesswärme wird zu einem großen Teil an den Prozessdampf des zweiten Wasser-/Dampfkreislauf abgegeben und in der Turbinen- und Generatorgruppe 87 zu elektrischen Strom umgeformt. Das abgekühlte Rauchgas wird über Kanal 88 und Saugzug 89 zurück in den Wärmespeicher 79 gefördert. Vorteilhaft an dieser Anordnung ist, dass mit einer einzigen Brennkammer einschließlich ihrer Brennstoff- und Verbrennungsluftversorgung zwei separate Dampferzeuger betrieben werden können. Dies ist wirtschaftlich von Vorteil, da ein Großteil der Investitions- und Betriebskosten eines Kraftwerks durch die Feuerung verursacht werden.
Weiterhin ist es möglich, die im Wärmespeicher 79 eingespeicherte Wärme – statt einem zweiten Dampferzeuger – dem Dampferzeuger 81 zuzuführen, welcher der Brennkammer 74 unmittelbar nachgeschaltet ist. Dies hätte den wirtschaftlichen Vorteil, dass bei einem Kraftwerksneubau die Feuerungseinrichtungen einschließlich der Brennstoffzuführung und Luftversorgung für eine kleinere Feuerungswärmeleistung dimensioniert werden könnte als es der Dampferzeugerleistung des Dampferzeugers 81 entspräche.
Anhand der 4 wird eine Verfahrensvariante dargestellt, die sich für sogenannte GuD-Kraftwerke eignet. Zunächst wird der GuD-Prozess vereinfacht dargestellt, wie er ohne die Einbeziehung des Wärmespeichers abläuft. Die Gasturbine 110 setzt sich aus den Komponenten Verdichter 111, Brennkammer 112 und Turbine 113 zusammen. Die mit dem Brennstoff in den Prozess eingebrachte Energie wird zu einem Teil in Rotationsenergie der Turbine (Stromgenerator 109) und zu einem anderen Teil in Wärme umgesetzt. Um die am Austritt der Gasturbine im Abgas enthaltene Wärme möglichst weitgehend zu nutzen, wird der Abgasstrom über die Leitung 114 in einen so genannten Abhitzekessel 127 geleitet. Dort wird die in dem Abgasstrom enthaltende Wärme zum größten Teil über die Wärmetauscher 128 und 129 an den Wasser-/Dampfkreislauf des Abhitzekessels übertragen.
Der Wasser-/Dampfktreislauf ist wie folgt beschrieben: Wie bei einem konventionellen Kraftwerk wird das Prozesswasser hinter der Speisepumpe 139 vorgewärmt, verdampft und überhitzt. Der überhitzte Dampf wird in der Hochdruckturbine 130 entspannt und i.d.R. über die Leitung 129 im Abhitzekessel zwischenüberhitzt. Mittels der Leitung 134 wird der zwischenüberhitzte Dampf in der Mitteldruckturbine 131 und anschließend über die Leitung 135 in der Niederdruckturbine 132 vollständig entspannt. Die Teilturbinen 130, 131 und 132 sind üblicherweise über eine gemeinsame Welle mit dem Generator 133 verbunden, in dem die Rotationsenergie der Turbinen in elektrischen Energie umgewandelt wird. Über die Leitung 136 wird der entspannte Dampf in dem Kondensator 137 verflüssigt und über die Leitung 138 zur Speisepumpe 139 geleitet. Aus Gründen der Vereinfachung wird in 4 auf die Darstellung und Beschreibung der Vorwärmestrecken und eventueller Dampfanzapfungen von Turbinen beispielsweise zu Heizzwecken verzichtet.
Da GuD-Kraftwerke, wie sie beispielsweise in 4 dargestellt sind, in der Regel mit Erdgas oder Erdöl betrieben werden, enthalten deren Rauchgase kaum Staub- oder Schmutzpartikel. Daher eignen sich poröse Schüttungen, z. B. aus Kies, gut als Wärmespeichermaterialien, da bei dem hohen Verhältnis von Materialoberfläche zum Schüttvolumen das Wärmeübertragungsverhalten günstig ist.
In Folgenden wird der Einspeicherprozess beschrieben: Die Wärmespeicherschüttung wird mit heißen Abgasen der Gasturbine erwärmt, die zu diesem Zweck in den Wärmespeicher geleitet werden. Dies erfolgt durch Androsselung des den Abhitzekessel 127 durchströmenden Gasstroms über die Klappe 124 oder über ein Gebläse 140, das bei offener Klappe 119 über die Leitung 120 Rauchgas aus dem Wärmespeicher 118 herauszieht. Die Verwendung des Gebläses 140 hätte den Vorteil, dass der Abhitzekessel 127 nicht unter einem erhöhten Überdruck betrieben werden müsste.
Die Rauchgase heizen das Wärmespeichermedium nach und nach von unten nach oben auf, wobei sich innerhalb der Speicherschüttung die in 5 dargestellte Temperaturverteilung ausbildet, die für dieses Speicherprinzip typisch ist.
Vorteilhaft an der in 4 dargestellten Anordnung von Gebläsen und Klappen ist, dass diese Einrichtungen auf der kalten Seite des Kraftwerksprozesses angeordnet sind, und somit keiner starken thermischen Beanspruchung unterliegen. Von der verfahrenstechnischen Prozessführung her könnte der gleiche Effekt auch mit einer Drosselklappe in der Leitung 114 hinter der Abzweigung der Leitung 116 und einer weiteren Klappe in der Leitung 116 selbst erzielt werden. Diese Klappen sind nicht in 4 dargestellt. Bei dieser Anordnung wären die Klappen Rauchgasen mit Temperaturen von ca. 400°C bis 600°C ausgesetzt, was technisch anspruchsvoll ist und sich in höheren Anschaffungs- und Wartungskosten für diese Einrichtungen niederschlagen würde. Vorteilhaft an dieser Verfahrensführung ist, dass sich ein Gebläse am Ende der Leitung 120 erübrigt.
Beim Ausspeichern wird die Klappe 119 vollständig geschlossen, die Klappe 117 vollständig geöffnet und die Klappe 124 teilweise geschlossen, so dass nur ein Teilstrom des Rauchgases über die Leitung 125 das Kraftwerk verläßt. Der verbleibende Rauchgasstrom wird dann über die Leitung 123, das Gebläse 122 und die Leitung 121 in den Wärmespeicher 118 geleitet. Dort wird das Rauchgas im Wärmeaustausch mit dem Wärmespeichermedium auf nahezu Abgastemperatur der Gasturbine aufgeheizt. Das heiße Rauchgas wird über die Leitungen 116 und 114 in den Abhitzekessel 127 zurück geführt, wo die in ihm enthaltene Wärme über die Wärmetauscher 128 und 129 abgegeben und zur Dampferzeugung genutzt wird.
Der Wärmespeicher 118 kann in Kombination mit dem GuD-Kraftwerk 110 auf zwei verschiedene Weisen betrieben werden: Einerseits kann bei konstanter Leistung der Gasturbine 110 der Abgasstrom wahlweise in den Wärmespeicher 118 oder in den Abhitzekessel 127 geleitet werden. Dadurch wird die thermische und in Folge dessen auch die elektrische Leistung aus dem Abhitzeprozesses verändert, d. h. die Leistungsregelung erfolgt dementsprechend über die Dampfturbinen der GuD-Anlage. Diese Fahrweise eignet sich vor allem für GuD-Kraftwerke, die – wie in 4 dargestellt – im Kondensationsbetrieb betrieben werden. Zwar ist die betrieblich mögliche Laständerungsgeschwindigkeit der Gasturbine höher als die im Abhitzeprozess, allerdings ist der durch Laständerungen bedingte Verschleiß an den Anlagenteilen im Abhitzeprozess kostenmäßig deutlich niedriger verglichen mit dem Verschleiß einer Gasturbine. Daher eignet sich diese Betriebsweise für Anwendungen mit geringen Laständerungsgeschwindigkeiten, z. B. für das Load Levelling.
Andererseits kann bei konstanter Leistung des Abhitzeprozesses eine Leistungsregelung über die Gasturbine erfolgen. Bei einer Leistungserhöhung durch die Gasturbine wird der überschüssige Abgasstrom aus der Gasturbine in den Wärmespeicher 118 geleitet. Bei einem Leistungsabfall der Gasturbine wird der dem Abhitzeprozess fehlende Abgasstrom durch Rauchgas aus dem Wärmespeicher 118 ersetzt. Somit bleibt der Abhitzeprozess – im Rahmen der Reichweite des Wärmespeichers 118 – von den Laständerungen der Gasturbine 110 unbeeinflußt. Diese Betriebsweise eignet sich insbesondere zur Bereitstellung von Regelenergie, da in diesem Anwendungsfall hohe Laständerungsgeschwindigkeiten erforderlich sind. Die Erlöse aus dem Verkauf von Regelenergie rechtfertigen in der Regel die durch die schnellen Lastwechsel verursachte Lebensdauerverkürzung für die Gasturbine bei weitem.
Für wärmegeführte GuD-Kraftwerke, bei denen die Leistung des Abhitzeprozesses von der Wärmeabnahme eines Verbrauchers bestimmt wird (Abhitzeprozess ohne Kondensator), ist letztere Betriebsweise des Wärmespeichers besonders geeignet, da dadurch – im Rahmen der Reichweite des Wärmespeichers – eine Entkopplung des Abhitzeprozesses von der Gasturbine möglich wird und demzufolge die Gasturbine zur Deckung von Regelenergieanforderungen vermarktet werden kann. Mischformen aus beiden Betriebsarten sind hierbei ebenfalls möglich.
In den 1 bis 4 werden die Wärmespeicher 2, 79, 118 selbst und ihre Zu- und Abführungen schematisch dargestellt. In den 5 bis 12 werden mögliche technische Ausführungen der Wärmespeicher aufgezeigt. Dabei muss zwischen Wärmespeichern mit ruhendem Wärmespeichermedium und Wärmespeichern mit bewegten Wärmespeichermedium unterschieden werden. Bei den Wärmespeichern mit bewegten Medien, z. B. sogenannte „pebble heater" (vgl. Vorlesungsumdruck Prof. Renz WÜK, Aachen) sind die Temperaturen, die sich im Wärmespeichermedium einstellen, sehr einfach darzustellen. Hierauf wird anhand der Darstellung in 8 näher eingegangen. Für die technischen Ausführungen eines Wärmespeichers mit ruhendem Wärmespeichermedium sind die Temperaturverläufe komplexer. Diese werden in 5 dargestellt. Es spielt für die Erklärung zunächst keine Rolle, ob Dampf/Wasser (z.B. in Rohren geführt) oder Rauchgas als Prozessmedium verwendet wird.
Der Wärmespeicher mit ruhenden Wärmespeichermedium selbst ist zweckmäßig als sogenannter Schicht- oder Zellenspeicher ausgeführt. Im oberen Bereich der 5 sind die einzelnen „Wärmespeicherzellen" 400 oder als übereinander angeordnete Speicherzellen in „Warmespeicherschichten" dargestellt. Die Zellen sind entweder einzelne Partikel des Speichermediums oder zusammenhängende oder lose Anhäufungen von Partikeln, die untereinander und mit der Umgebung im Wärmeaustausch stehen. In 5 sind die Einzelschichten in Strömungsrichtung des Prozessmedium aufgereiht dargestellt. Je nach Betriebsart des Wärmespeichers „Einspeichern" oder „ Ausspeichern" werden der Wärmespeicher bzw. die Wärmespeicherzellen oder – schichten in der einen oder der umgekehrten Richtung vom Prozessmedium durchströmt. In 5 erfolgt die Durchströmung während der Einspeicherphase vom wärmeabgebenden Medium von links nach rechts und analog während der Ausspeicherphase vom wärmeaufnehmenden Medium von rechts nach links.
Dieser Speichertyp ist dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmeleitung innerhalb einer Zelle oder einer Schicht gut ausgeprägt ist, jedoch in Strömungsrichtung des wärmeabgebenden bzw. wärmeaufnehmenden Mediums die Wärmeleitung, beispielsweise mittels isolierender Schichten derart behindert wird, dass sich eine ausgeprägte Temperaturverteilung in Richtung der Durchströmung des Wärmespeichers ausbilden kann. Die Temperaturverteilung ist qualitativ im unteren Bereich der 5 dargestellt. Die X-Achse 401 entspricht der Lauflänge des Wärmespeichers in Strömungsrichtung; in Y-Richtung (Y-Achse 402) sind die zugehörigen Temperaturen der jeweils in X-Richtung aufgereihten Wärmespeicherzellen oder -schichten zu verschiedenen Zeitpunkten 406 bis 411 des Ein- und Ausspeicherns aufgeführt.
Zunächst wird die Wirkungsweise des Wärmespeichers mit ruhenden Wärmespeichermedium prinzipiell beschrieben. Mit Wechsel zum Ein- bzw. Ausspeichern wird die Strömungsrichtung des Prozessmediums umgedreht, so dass im Wärmespeicher grundsätzlich zwischen einem „heißen Ende" und einem „kalten Ende" unterschieden werden kann. In dem in 5 dargestellten Fall wird der Wärmespeicher beim Einspeichern vom Prozessmedium von links nach rechts durchströmt, so dass die linke Seite die heiße Seite 412 ist, da den Wärmespeicherzellen am linken Ende des Wärmespeichers nahezu die Temperatur des heißen Prozessmediums aufgeprägt ist. Zum Ausspeichern wird die Strömungsrichtung des Prozessmedium umgedreht und der Speicher von rechts nach links durchströmt. Daher nehmen die an rechten Ende des Wärmespeichers angeordneten Schichten oder Zellen nahezu die Temperatur des kalten Prozessmediums an. Demzufolge kennzeichnen die Wärmespeicherzellen auf der rechten Seite das kalte Ende 413 des Wärmespeichers.
Aufgrund der eingangs erwähnten Einschränkung der Wärmeleitung in Strömungsrichtung des Prozessmediums und Begünstigung der Wärmeleitung quer zu Strömungsrichtung stellt sich ein Temperaturprofil in Strömungsrichtung des Prozessmediums ein. Je nach Ladezustand des Speichers wandert das Temperaturprofil beim Ein- bzw. Ausspeichern zwischen den Zellen an den jeweiligen Enden des Wärmespeichers hin und her, und zwar beim Einspeichern nach rechts und beim Ausspeichern nach links.
Der Wärmespeicher wird derart betrieben, dass sich in den Zellen oder Schichten, die den seitlichen Speicherenden naheliegen näherungsweise die Temperatur des jeweils – je nach Zustand Ein- bzw. Ausspeichern – einströmenden Mediums einstellt. Der Ausspeicherprozess wird also beendet, sobald die Temperaturen am heißen Ende 412 des Wärmespeichers spürbar sinkt. Umgekehrt wird der Einspeicherprozess beendet, sobald die Temperatur am kalten Ende 413 des Wärmespeichers spürbar ansteigt. Voraussetzung hierfür ist, dass zwischen Wärmspeichermedium und Prozessmedium durch hinreichend große Wärmetauscherflächen und über Wärmeleitung innerhalb der Zellen oder Schichten ausreichend Wärme von dem Prozessmedium abgegeben bzw. aufgenommen werden kann.
Dadurch, dass an der heißen Seite 412 des Wärmespeichers das beim Einspeichern in den Wärmespeicher eintretende Prozessmedium (Durchströmung von links nach rechts) nahezu die gleiche Temperatur und den gleichen Druck aufweist, wie das beim Ausspeichern aus dem Wärmespeicher austretende Prozessmedium (Durchströmung von rechts nach links), wird sichergestellt, dass der Kraftwerksprozess in allen dargestellten Speicherphasen unbeeinträchtigt vom Betriebszustand des Wärmespeichers betrieben werden kann (siehe Patentanspruch 1).
Im unteren Bereich der 5 sind die Temperaturverläufe im Wärmespeicher in Abhängigkeit von der Lauflänge in Strömungsrichtung zu unterschiedlichen Zeitpunkten des Ein- und Ausspeicherns dargestellt. Je nach Ladezustand des Wärmespeichers wandert die Temperatur innerhalb der Aufreihung der Wärmespeicherzellen oder -schichten, die sich nicht direkt am kalten oder heißen Ende des Wärmespeichers befinden, zwischen den Temperaturen ϑ_u (Linie 403) und ϑ_o (Linie 405) hin und her. Die Temperatur ϑ_o würde bei der betrachteten Prozessdampfvariante typischerweise zwischen 530°C und 600°C liegen. Die Temperatur ϑ_u liegt entweder auf dem Niveau des Eintritts in den Zwischenüberhitzer (300°C bis 350°C) oder des kondensierenden Dampfes/kondensierten Wasser im Speisewasserbehälter (150°C bis 220°C).
Wird als Prozessmedium Wasser/Dampf verwendet, das in der Regel unter hohen Betriebsdrücken steht, so wird das Prozessmedium über druckfeste Wärmetauscherrohre durch das Wärmespeichermedium geleitet. Gegen eine Umströmung des gesamten Wärmespeichermediums mit Dampf spricht, dass bei hinreichend hohem Volumen des Wärmespeichers die erforderlichen Wandstärken für die druckfeste Ummantelung des Wärmespeichermediums so hoch sind, dass solche Bauteile nicht wirtschaftlich hergestellt werden könnten. Wird dagegen als Prozessmedium für den Wärmespeicher Gas verwendet – in der Regel Rauchgas, das üblicherweise nahezu Umgebungsdruck hat –, so kann beispielsweise das Prozessmedium direkt durch eine poröse Schüttung des Wärmespeichermediums geleitet werden.
Der Temperaturverlauf 406 stellt den Wärmespeicher im entladenen Zustand dar, d.h. unmittelbar rechts von den Zellen bzw. Schichten am linken, heißen Ende des Wärmespeichers sinkt die Temperatur auf das Niveau der rechten, kalten Seite ab.

– Einspeichern: Das Prozessmedium durchströmt die Wärmespeicherzellen 400 von links nach rechts. Dabei werden die Wärmespeicherzellen, die eine niedrigere Temperatur als das Prozessmedium aufweisen, durch das Prozessmedium aufgeheizt, dabei kühlt sich das Prozessmedium nach und nach auf das Niveau der kalten Seite des Wärmespeichers ab. Dabei entsteht in der Regel ein S-förmiges Temperaturprofil, wie es in 5, Nummern 406 bis 411 dargestellt ist. Ursächlich hierfür ist, dass in den links befindlichen Zellen des Wärmespeichers die treibende Temperaturdifferenz wischen Prozess- und Wärmespeichermedium gering ist und sich somit das Wärmespeichermedium nur geringfügig aufheizt. Der Temperaturgradient zwischen den Zellen des Wärmespeicher verläuft dementsprechend flach. In den weiter rechts befindlichen Wärmespeicherzellen steigt die o.g. Temperaturdifferenz stark an, so dass die an das Wärmespeichermedium übertragene Wärmemenge sich stark vergrößert und demzufolge der Temperaturgradient zwischen den Wärmespeicherzellen ansteigt. Aufgrund der Abkühlung des Prozessmediums verringert sich anschließend die treibende Temperaturdifferenz zwischen Prozessmedium und Wärmespeichermedium, so dass der Temperaturgradient zwischen den einzelnen Wärmespeicherzellen wieder abnimmt.
– Im Laufe der Zeit in der Einspeicherphase verschiebt sich das S-förmige Temperaturprofil zu den benachbarten Zellen bzw. Schichten von links nach rechts. In 5 sind die Temperaturverläufe durch die Kurven 407 bis 411 dargestellt. Dabei tritt in der zeitlichen Abfolge zuerst der Kurvenverlauf 407, dann 408 usw. auf. Der Einspeichervorgang wird beendet, sobald die Temperatur der Wärmespeicherzelle am rechten, kalten Ende merklich ansteigt. Dies entspricht in etwa dem Temperaturverlauf 411.
• Ausspeichern: Beim Ausspeichern treten aufgrund des oben beschriebenen Verhaltens der treibenden Temperaturdifferenz zwischen Prozess- und Wärmespeichermedium identische Temperaturgradienten bzw. S-förmige Temperaturprofile innerhalb der aufgereihten Wärmespeicherzellen bzw. -schichten wie beim Einspeichervorgang auf, allerdings bei umgekehrter Richtung des Wärmetransportes. Zum Beginn der Ausspeicherphase ist das Temperaturprofil nahezu identisch mit dem Temperaturprofil zum Ende der Einspeicherphase, d.h. das Temperaturprofil entspricht der Kurve 411 in 5. Beim Ausspeichern wandert das Temperaturprofil innerhalb des Wärmespeichers von rechts nach links. Im zeitlichen Ablauf tritt zuerst das Temperaturprofil 410, dann 409 usw. auf. Der Ausspeichervorgang wird beendet, sobald die Temperatur am linken, heißen Ende des Wärmespeichers merklich absinkt. Zu diesem Zeitpunkt hat sich in etwa der

Temperaturverlauf 406 eingestellt, der an dieser Stelle auch zu Beginn des Einspeichervorganges vorherrschte.
Es ist möglich den Wärmespeicher nur teilweise aufzuladen oder nur teilweise zu entladen. Der Einspeichervorgang kann beispielsweise abgebrochen werden, wenn sich gerade das Temperaturprofil 408 eingestellt hat. Ob der Wärmespeicher nur teilweise oder vollständig genutzt wird, hängt im Wesentlichen von den in der jeweiligen Situation vorliegenden Strompreisen bzw. Strompreisprognosen ab.
In 6 ist eine mögliche Ausführung des Wärmespeichers 2 aus 1 dargestellt. Es handelt sich hierbei um eine Variante mit ruhendem Wärmespeichermedium und Dampf/Wasser als Prozessmedium. In 1 und 2 enden die Leitungen 38, 41, 44, 46, 48, 49, 50 und 51 jeweils in dem Wärmespeicher 2. In 6 wird eine mögliche Verschaltung dieser Leitungen dargestellt. Die Leitungen aus den 1 sowie 6 sind mit identischen Ziffern versehen.
Aus 6 wird ersichtlich, dass der Wärmespeicher in diesem Fall zweisträngig ausgeführt ist. Der obere Strang, im Folgendem auch Strang 1 genannt, ersetzt beim Ausspeichern den Zwischenüberhitzer eines Dampferzeugers bzw. bildet beim Einspeichern die Hochdruckturbine thermodynamisch nach. Dem gegenüber ersetzt beim Ausspeichern der untere Strang des Wärmespeichers, im Folgendem auch Strang 2 genannt, den Economizer, Verdampfer und Überhitzer eines Dampferzeugers bzw. bildet beim Einspeichern thermodynamisch die Mitteldruck-, Niederdruckturbine sowie den Kondensator nach.
Der Wärmespeicher besteht aus einzelnen Zellen 150 bzw. 152. Die Wärmespeicherzellen sind über die Rohrschlangen 154 bzw. 158, in denen der Prozessdampf bzw. das Prozesswasser transportiert wird, miteinander verbunden. Eine Wärmespeicherzelle selbst setzt sich aus dem Wärmespeichermedium 160 und einer Isolierung 161 zusammen, die den Wärmeverlust des Wärmespeichermediums an die Umgebung minimieren soll.

– Zunächst wird der Einspeichervorgang beschrieben. Beim Einspeichern sind die Ventile 162, 166, 164 und 168 geöffnet. Die Ventile 163, 165, 167 und 169 bleiben hingegen geschlossen. Der aus der Frischdampfleitung 24, über Leitung 38 abgezweigte Prozessdampf (1) tritt über Leitung 151 in die Wärmespeicherzellen 150 ein (6). Dort gibt der Frischdampf gibt seine Wärme gemäß der Beschreibung zu 5 an das Wärmespeichermedium ab, um anschließend über Leitung 155, Ventil 166 (6) und Leitung 41 und Leitung 15 in den Zwischenüberhitzer 28 (1) einzutreten. Um Schäden an dem Zwischenüberhitzer 28 sicher ausschließen zu können, muss der Prozessdampf in Leitung 41 sehr ähnliche Dampfzustände hinsichtlich Druck und Temperatur wie in Leitung 26 aufweisen (1). Dies wird dadurch sichergestellt, dass sich der gleiche Druckverlust in den Wärmetauscherschlangen einstellt, wir er auch durch die Hochdruckturbine 12 entstehen würde. Dies kann entweder durch entsprechende Dimensionierung der Wärmetauscherschlangen selbst oder über die Einstellung geeigneter Drosselarmaturen sichergestellt werden. Wenn jetzt das Wärmespeichermedium hinter dem kalten Ende des Wärmespeichers eine ähnliche Temperatur wie in Leitung 26 hinter der Hochdruckturbine 12 aufweist, dann wird der Prozessdampf in Leitung 26 und 41 nahezu identische Dampfparameter aufweisen. Die Bedingung, dass das Wärmespeichermedium am kalten Ende des Wärmespeichers nahezu die Austrittstemperatur aus der Hochdruckturbine 12 aufweist, wird durch die Verfahrensführung beim Ausspeichern erfüllt (siehe Beschreibung Ausspeichern). Das linke, heiße Ende des Wärmespeichers nimmt hierbei nahezu das Temperatur des Frischdampfs an.
– Weiterhin wird beim Einspeichern der zwischenüberhitzte Dampf hinter dem Zwischenüberhitzer 28 bei geöffnetem Ventil 45 mittels Leitung 44 in den Wärmespeicher 2 geleitet (1). Über Leitung 157 und den Rohrschlangen 158 wird der zwischenüberhitzte Dampf in die Wärmespeicherzellen 152 eingebracht (6). Dabei wird der zwischenüberhitzte Dampf abgekühlt, kondensiert und zuletzt auf die Temperatur im Speisewasserbehälter 17 unterkühlt (1). Über die Leitungen 159 und 46 (6) gelangt das Prozesswasser in den Speisewasserbehälter 17 (1). Das linke, heiße Ende des Wärmespeichers nimmt hierbei nahezu die Temperatur des zwischenüberhitzten Dampfs an. In diesem Fall verlaufen die Temperaturen innerhalb des Wärmespeichers in bestimmten Abschnitten waagerecht, so dass – in Abweichung von der Darstellung in 5 – die S-Form unterbrochen ist. Ursächlich hierfür ist, dass beim Auskondensieren des zwischenüberhitzten Dampfs die Kondensationswärme an dem Wärmespeicher übertragen werden muss. Dabei werden größere Wärmemengen bei einer nahezu konstanten Temperatur, nämlich der Verdampfungstemperatur, an das Wärmespeichermedium übertragen. Auf die Darstellung eventuell notwendiger Trenngefäße für Dampf und Flüssigkeit wurde aus Vereinfachungsgründen verzichtet.
– Im Folgendem wird der Ausspeichervorgang beschrieben. Hierzu werden die Ventile 162, 164, 166 und 168 geschlossen, die Ventile 163, 165, 167 und 169 hingegen geöffnet. Aus dem Speisewasserbehälter 17 wird mittels der Kesselspeisepumpe 64 über die Leitungen 63 und 47 Prozesswasser in den Wärmespeicher 2 gefördert (1). Über Leitung 47 und 159 sowie den Rohrschlangen 158 tritt das Prozesswasser in die Wärmespeicherzellen ein. Es wird dort erwärmt, verdampft und überhitzt. Es verlässt den Wärmespeicher über die Leitungen 157 und 48 (6). Dabei nimmt das linke, kalte Ende des Wärmespeichers in etwa die Temperatur des Speisewassers an. Der aus der Hochdruckturbine 39 austretende Dampf wird über Leitung 50 in den Wärmespeicher 2 zurückgeführt (1). Über Leitung 155 und die Rohrschlangen 154 durch die Wärmespeicherzellen 150 geleitet (6). Dabei wird der Dampf in etwa auf die Temperatur des Frischdampfs, die in den meisten Fällen nahezu identisch mit der Temperatur des zwischenüberhitzten Dampfs ist, gebracht. Der so zwischenüberhitzte Dampf verlässt den Wärmespeicher über die Leitungen 151 und 51. Dabei nimmt das rechte, kalte Ende des Wärmspeichers das Temperaturniveau, das am Austritt der Hochdruckturbine 39 vorherrscht an (1). In der Regel liegen die Austrittstemperaturen der gängigen Hochdruckturbinen auf einem ähnlichen Temperaturniveau knapp oberhalb der Kondensationstemperatur des Prozessdampfs. Daher nimmt das kalte Ende des Wärmespeichers gleichzeitig auch nahezu die Temperatur des Dampfs hinter der Hochdruckturbine 12 an. Dies ist erforderlich, um den Zwischenüberhitzer 28 in 1 zerstörungsfrei betreiben zu können (siehe Beschreibung Einspeichern).

In manchem Fällen ist es erforderlich, Wärmemengen von dem einen Strang des Wärmespeichers zu dem zweiten Strang zu verschieben. Dies kann sich als notwendig erweisen, wenn das prozesswärmeaufnehmende Kraftwerk ein deutlich anderes Verhältnis von der im Frischdampf enthaltenen Wärmemenge zu der im zwischenüberhitzten Dampf enthaltenen Wärmemenge verglichen mit dem prozesswärmeabgebenden Kraftwerk aufweist. Ein anderer Grund könnte sein, dass aufgrund unterschiedlicher Siede- bzw. Verdampfungspunkte des Prozessdampfs in den beiden Strängen des Wärmespeichers ein Teil der Wärme eines Stranges in den anderen Strang verschoben werden muss. Ein solches Wärmeverschiebesystem ist in 7 dargestellt.
Im Folgenden werden drei mögliche Betriebsarten der in 7 beschriebenen technischen Ausführung des Wärmespeichers beschrieben. Im ersten Fall findet zwischen den beiden Strängen kein Wärmeaustausch statt. Im zweiten Fall wird Wärme von Strang 1 zu Strang 2 verschoben und im dritten Fall von Strang 2 zu Strang 1. Die Ventilstellung für das Ein- und Ausspeichern hinsichtlich der Ventile 162, 163, 164, 165, 166, 167, 168 sowie 169 entspricht der Beschreibung zu 6.

– Ohne Wärmeverschiebung: In diesem Betriebsfall sind die Ventile 182, 185 und 188 geöffnet. Die Ventile 184, 186 und 187 bleiben geschlossen. In diesem Zustand werden die Zellen der beiden Stränge des Wärmespeichers wie in 6 gezeigt unabhängig voneinander betrieben, d.h. es findet keine Wärmeverschiebung zwischen den beiden Strängen des Wärmespeichers statt.
– Wärmeverschiebung von Strang 1 zu Strang 2: Um Wärme von Strang 1 in eine Zelle des Strang 2 zu verschieben, werden mit Prozessdampf aus Strang 1 eine (7) oder mehrere Zellen des Stranges 2 erhitzt. Hierzu sind die Ventile 182, 185 und 188 geschlossen, die Ventile 184, 186 und 187 dagegen geöffnet. Aufgrund dieser Ventilschaltung umfährt der Prozessdampf im Strang 2 die Zelle 152a des Wärmespeichers. Gleichzeitig wird der Prozessdampf zwischen Zelle 150a und 150b über Leitung 180 in die Wärmespeicherzelle 152a des Strang 2 geleitet und anschließend zurück in Rohrschlange 154 gebracht. Durch diese Verschaltung wird Wärme aus dem Prozessdampf des Strang 1 in das Wärmespeichermedium des Strang 2 verschoben. Beim Ausspeichern werden die betroffenen Ventile so geschaltet wie in dem Fall „Ohne Wärmeverschiebung". Dadurch wird Wärme, die beim Einspeichern aus dem Prozessdampf des Stranges 1 in das Wärmespeichermedium des Stranges 2 verschoben wurde, nun zusätzlich beim Ausspeichern in den Prozessdampf des Strang 2 abgegeben. Dadurch wird die Wärmeverschiebung von Strang 1 nach Strang 2 sichergestellt.
– Wärmeverschiebung von Strang 2 zu Strang 1: Der Einspeichervorgang erfolgt genau in der selben Weise wie beim Einspeichern, wenn keine Wärme verschoben wird. In diesem Fall wird beim Ausspeichern die Wärme von dem Wärmespeichermedium des Strang 2 in den Prozessdampf des Strang 1 verschoben. Hierfür werden die Ventile 184, 186 und 187 geöffnet, die Ventile 182, 185 und 188 hingegen geschlossen. Hierdurch wird beim Ausspeichern im Strang 2 die Zelle 152a umgangen. Dadurch steht die in Zelle 152a eingespeicherte Wärme beim Ausspeichern dem Strang 2 nicht mehr zur Verfügung. Bei den oben beschriebenen Ventilstellungen wird der Prozessdampf aus Strang 1 zusätzlich durch die Wärmespeicherzelle 152a des Strang 2 geleitet, der Prozessdampf aus Strang 1 nimmt somit zusätzlich Wärme, die im Wärmespeichermedium des Stranges 2 eingespeichert wurde, auf. Somit wird Wärme vom Wärmespeichermedium des Strang 2 auf den Prozessdampf des Strang 1 übertragen.

Bei der in 8 dargestellten technischen Ausführung des Wärmespeichers wird ein bewegtes Wärmespeichermedium verwendet. Diese Ausführung ist in erster Linie für Dampf/Wasser als Prozessmedium vorgesehen, grundsätzlich eignet sich diese Ausführung ebenso für Rauchgas als Prozessmedium. Allerdings gibt es insbesondere für partikelarme Rauchgase – z. B. aus der Verbrennung von Erdgas – Lösungen, die thermodynamisch und technisch weniger aufwendig sind – siehe 9 und 10.
Die Leitungen 38, 41, 44, 46, 47, 48, 50 und 51 in 8 sind mit den entsprechenden Leitungen in 1 identisch. Auch diese Ausführung des Wärmespeichers ist zweisträngig ausgeführt. Der obere Strang 1 bildet thermodynamisch beim Einspeichern die Hochdruckturbine ab und beim Ausspeichern übernimmt er die Funktion des Zwischenüberhitzees. Der untere Strang 2 bildet während des Einspeichervorgangs thermodynamisch die Mittel- und Niederdruckturbine sowie den Kondensator nach, beim Ausspeichern übernimmt er die Funktion des Economizers, Verdampfers und Überhitzers. Die in 8 jeweils links dargestellten Silos enthalten das aufgeheizte Wärmespeichermedium, die jeweils rechts dargestellten Silos das abgekühlte Wärmespeichermedium. Im Strang 1 des Wärmespeichers wechselt die Temperatur des Wärmespeichermediums zwischen der Frischdampftemperatur, üblicherweise 530°C bis 630°C, und der Dampftemperatur hinter dem Austritt aus der Hochdruckturbine, üblicherweise zwischen 300°C und 350°C. Im Strang 2 des Wärmespeichers wechselt die Temperatur des Wärmespeichermediums üblicherweise zwischen der Temperatur des zwischenüberhitzten Dampfs (530°C bis 630°C) und der Wassertemperatur im Speisewasserbehälter (150°C bis 220°C). Im Folgenden wird nun der Einspeichervorgang, der Ausspeichervorgang, und eine eventuell erforderliche Wärmeverschiebung zwischen Strang 1 und Strang 2 dargestellt.

– Einspeichervorgang: Der Frischdampf, der in 1 aus dem Überhitzen 23 des Dampferzeugers 20 austritt, wird ganz oder teilweise über Leitung 38 in 1 zum Wärmetauscher 277 8 gebracht. Dort wird der Prozessdampf soweit abgekühlt und entspannt, dass er die Temperatur und den Druck annimmt, der hinter der Hochdruckturbine 12 in Leitung 26 vorherrscht. Dies geschieht entweder durch einen hinreichend hohen Druckverlust in dem Wärmetauscher 277 oder durch geeignete Drosselarmaturen hinter dem Wärmetauscher 277. Dadurch wird der Zwischenüberhitzer 28 in 1 unbeeinflusst von dem Einspeichervorgang betrieben. Der Dampf wird dadurch abgekühlt, dass das Wärmespeichermedium durch den Wärmetauscher 277, der dem Strang 1 des Wärmespeichers zugeordnet ist, bewegt wird und sich dabei aufwärmt. Diese Wärmetauscher sind u.a. als so genannte „pebble bed" Wärmetauscher bekannt. Es handelt sich in diesem Fall um Dampf/Feststoff-Wärmetauscher, die unter anderem auch bei der Zementherstellung Verwendung finden. Das Wärmespeichermedium selbst, in der Regel Sand oder Kies, wird über Rinnen, Becherwerke, oder bei niedrigen Temperaturen über Bandanlagen transportiert. Das erhitzte Wärmespeichermedium wird nach Verlassen des Wärmetauschers 277 über Leitung 261 in ein oder mehrere isolierte Silos 263 transportiert. Im Gegensatz zu den Schicht- oder Zellenspeichern nimmt hierbei das gesamte erwärmte Wärmespeichermedium nahezu die Temperatur des Frisch- bzw. zwischenüberhitzten Dampf an. Temperaturgradienten innerhalb der Schüttung des Wärmespeichermediums 264 treten somit nicht auf. Parallel zum Einspeichervorgang in Strang 1 wird zeitgleich hinter dem Zwischenüberhitzer 28 über Leitung 44 zwischenüberhitzter Dampf zum Wärmespeicher 2 in 1 gebracht. Dort wird der Dampf in dem Wärmetauscher 279 in 8 abgekühlt und kondensiert. Er nimmt dabei als Wasser näherungsweise die Temperatur und den Druck an, der im Speisewasserbehälter 17 der 1 herrscht. Auch hier ergibt sich der Druck über den Druckverlust durch geeignete Dimensionierung der Dampf- und Wasserleitungen Wärmetauscher 279 der 8 oder durch die Einstellung bzw. Regelung über geeignete Drosselarmaturen eingestellt. Um dem zwischenüberhitzten Dampf die Wärme zu entziehen wird abgekühltes Wärmespeichermedium über Leitung 269 zum Wärmetauscher 279 transportiert. Das Wärmespeichermedium wird dort nahezu auf die Temperatur des zwischenüberhitzten Dampfs aufgeheizt und über Leitung 270 in das isolierte Silo 271 transportiert. Auch ergibt sich für das Wärmespeichermedium 272 im Silo 271 eine über die Schüttung konstante Temperatur auf.
– Ausspeichervorgang: Auch beim Ausspeichern muss zwischen Strang 1 und Strang 2 unterschieden werden. Der aus der Hochdruckturbine 39 austretende Dampf wird über Leitung 50 in 1 zu dem Wärmetauscher 278 in 8 transportiert. Bei dem Wärmetauscher 278 handelt es sich ebenfalls um einen Dampf/Feststoff-Wärmetauscher. Über Leitung 265 wird das heiße Wärmetauschermedium in den Wärmetauscher 278 gefördert, dort gibt das Wärmespeichermedium einen Teil der in ihm enthaltenen Wärme an den Prozessdampf ab, der anschließend nahezu die Temperatur des zwischenüberhitzten Dampfes annimmt. Der so erhitzte Dampf wird über Leitung 51 in 8 zu der Mitteldruckturbine 52 der 1 geleitet. Das abgekühlte Wärmespeichermedium wird im Anschluss über Leitung 266 der 8 in das isolierte Silo 267 gefördert. Da die Temperatur des über Leitung 50 in den Wärmetauscher 278 eintretenden Dampfes in etwa der Dampftemperatur am Austritt einer Hochdruckturbine entspricht, wird beim Ausspeichervorgang das Wärmespeichermedium im Wärmetauscher 278 bzw. Silo 267 bei hinreichend großen Wärmetauscherflächen auf ein ähnliches Temperaturniveau abgekühlt. Dies hat den Vorteil, dass beim Einspeichervorgang in Wärmetauscher 277 durch das Temperaturniveau des abgekühlten Wärmespeichermediums in Silo 267 nicht zu einer Unterkühlung bzw. Teilkondensation des Prozessdampfs im Wärmetauscher 277 kommen kann (Hinweis Anspruch 1).
– Zeitgleich zum Ausspeichervorgang in Strang 1 wird auch in Strang 2 Wärme an das Prozessmedium übertragen. Hierzu wird hinter der Speisepumpe 64 über Leitung 47 in 1 vorgewärmtes Prozesswasser in den Wärmetauscher 280 der 8 transportiert. In dem Wärmetauscher 280 wird das Prozesswasser bis zum Siedepunkt angewärmt, verdampft und überhitzt. Der Dampf nimmt dabei den Zustand des Frischdampfs an und wird über Leitung 48 zur Hochdruckturbine 39 in 1 geleitet.
– Wärmeverschiebung zwischen Strang 1 und Strang 2: Unabhängig von der technischen Ausführung des Wärmespeichers besteht eventuell die Notwendigkeit, Wärme vom Strang 1 zum Strang 2 oder umgekehrt zu verschieben. Dies wird bei einem Wärmespeicher mit bewegten Speichermedium dadurch sichergestellt, dass erhitztes Wärmespeichermedium durch eine geeignete Einrichtung entweder von Silo 263 zu Silo 271 gefördert oder umgekehrt. Bei den gemein hin üblichen Kraftwerkskesseln unterscheiden sich die Frischdampftemperatur und die Temperatur des zwischenüberhitzten Dampfs nur um wenige Grad Celsius. Dieser Umstand erleichtert eine Wärmeverschiebung, da die heißen Wärmespeichemedien den Silos 277 und 279 ähnliche Temperaturen aufweisen.

Das Wärmetauschersystem des zweisträngigen Wärmespeichers in 9 ist auf der Dampfseite praktisch identisch mit dem in 8 gezeigten Wärmetauschersystem. Daher wird im Folgendem auf die Beschreibung des dampfseitigen Wärmetauschersystems weitgehend verzichtet. Im Unterschied zu 8 wird in der in 9 dargestellten technischen Ausführung ein Wärmespeicher mit ruhendem Wärmespeichermedium beschrieben, das von einem Zwischenwärmeträgermedium durchströmt wird. Der Wärmespeicher funktioniert wie ein oder Zellen- oder Schichtspeicher. Das Zwischenwärmeträgermedium muss pump- oder förderbar sein und sollte nach dem augenblicklichen Stand der Technik auch bei Temperaturen von bis zu 650°C chemisch stabil sein. Daher kommen insbesondere Gase, Salzschmelzen oder flüssige Metalle hierfür in Frage. Im Folgenden wird der Einspeicher- und Ausspeichervorgang sowie eine eventuell erforderlich Wärmeverschiebung beschrieben.

– Einspeichervorgang: Im Strang 1 ist zum Einspeichern Klappe 306 geöffnet und Klappe 309 geschlossen. Mit Gebläse 305 wird beispielsweise ein Gas als Zwischenwärmeträgermedium durch den Wärmetauscher 327 und Kanal 300 über einen Gasverteilungsraum 301 in das Wärmespeichermedium 304 und anschließend wieder zum Gebläse 305 gefördert. Das Zwischenwärmeträgermedium wird im Kreislauf geführt. Der Betieb von Strang 2 erfolgt analog. Die Bauelemente 302 und 313, beispielweise gelochte Bleche, dienen der Vergleichmäßigung der Durchströmung der Wärmespeicherschüttung. Ein kolbenförmiges Strömungsprofil, wie in 9 durch Pfeile innerhalb des Wärmespeichermediums 304 dargestellt, wäre von Vorteil. Beim Durchströmen des Wärmetauschers 327 wird das Zwischenwärmeträgermedium, wie schon beschrieben, in das Wärmespeichermedium 304 geleitet. Dadurch befindet sich in 9 das heiße Ende des Wärmespeichers auf der rechten Seite, das kalte Ende auf der linken Seite. Dies gilt sowohl für beide Stränge. Beim Einspeichern im Strang 2 des Wärmespeichers ist das Vorgehen identisch mit Strang 1, d.h. im Strang 2 wird die Klappe 320 geöffnet und die Klappe 321 geschlossen. Es wird also mittels Gebläse oder Pumpe 319 das Zwischenwärmeträgermedium durch den Wärmetauscher 330 geleitet. Dabei wird das Zwischenwärmeträgermedium erhitzt und über Kanal 315, Gasverteilungsraum 316 in das Wärmespeichermedium 318 des Strang 2 eingebracht.
– Ausspeichervorgang: Im Strang 1 der technischen Ausführung des Wärmespeichers gemäß 9 wird die Klappe 306 geschlossen und die Klappe 309 geöffnet. Mittels Gebläse oder Pumpe 310 wird das Zwischenwärmeträgermedium über Kanal 323, Verteilungsraum 324 in das Wärmespeichermedium 318 eingebracht. Anschließend wird das Zwischenwärmeträgermedium zum Wärmetauscher 329 gefördert, d. h. das Zwischenwärmeträgermedium durchströmt das Wärmespeichermedium in entgegengesetzter Richtung der innerhalb des Wärmespeichermediums dargestellten Pfeile). Dort gibt es die in ihm enthaltene Wärme teilweise an den Prozessdampf ab, d. h. das Zwischenwärmeträgermedium wird im Kreislauf geführt. Dies gilt für beide Stränge. Der Ausspeichervorgang im Strang 2 erfolgt analog dem bei Strang 1, d. h. die Klappe 320 wird geschlossen und die Klappe 321 geöffnet. Über Gebläse oder Pumpe 322 wird das Zwischenwärmeträgermedium über Kanal 323, Verteilungsraum 324 in das Wärmespeichermedium eingebracht. Es durchströmt entgegengesetzt zur der innerhalb des Wärmespeichers dargestellten Pfeilrichtung. Innerhalb der Schüttung des Wärmespeichermediums nimmt der Zwischenwärmeträger die Temperatur des rechten, heißen Ende des Wärmespeichers an und gibt diese Wärme mittels des Wärmetauschers 329 an das Prozesswasser/Prozessdampf ab.
– Wärmeverschiebung: Eine Wärmeverschiebung von Strang 1 nach Strang 2 oder umgekehrt wird bei dieser technischen Ausführung des Wärmespeichers dadurch ermöglicht, dass ein Teilstrom des erhitzten Zwischenwärmetauschermediums aus dem Kreislauf des Strang 1 entnommen und in Strang 2 eingebracht wird. Der umgekehrte Transfer von Wärme ist ebenso möglich. Diese Kanalführung ist in 9 nicht dargestellt.

In 4 ist eine Variante des Wärmespeichers dargestellt, bei der Rauchgas als Prozessmedium verwendet wird. Dort wird der Wärmespeicher 118 lediglich symbolisch dargestellt. In 10 ist nun eine technische Ausführung als Schichtspeicher detailliert dargestellt. Die Nummern für die Kanäle 116, 119 und 121 sind in 4, 10 bzw. auch in 11 identisch.
Der Wärmespeicher gemäß 10 besteht aus einer Isolierung 352, dem Wärmespeichermedium 353, das in der Regel als Schüttung ausgeführt ist, den Rauchgasverteilungsräumen 350 und 354 sowie den Elementen zur Vergleichmäßigung der Strömung 351. Zur Minimierung von Strömungsverlusten ist es denkbar anstelle von Schüttungen auch Einbauten mit definierter Geometrie zu verwenden, wie sie in Winderhitzern in Stahlwerken Verwendung finden. Der Wärmespeicher ist einsträngig aufgebaut.
Beim Einspeichern strömt das Rauchgas durch Kanal 116 in den Rauchgasverteilungsraum 350 in das Wärmespeichermedium. Dort gibt das Rauchgas gemäß der Beschreibung zu 5 seine Wärme an das Wärmespeichermedium ab. Idealerweise sollte dabei das Strömungsprofil kolbenförmig ausgestaltet sein, denn dadurch werden unerwünscht Kanalbildungen bei der Durchströmung vermieden. Das heiße Ende des Wärmespeichers befindet sich in 10 an der linken Seite des Wärmespeichers, das kalte Ende an der rechten Seite. Das Rauchgas verlässt, nachdem es den größten Teil der in ihm enthaltenen Wärme abgegeben hat, über Kanal 119 den Wärmespeicher.
Beim Ausspeichern wird Rauchgas, in der Regel aus dem Abhitzekessel 127 der 4, über Zwischenstationen zu Kanal 121 in 10 transportiert. Dort tritt es in den Rauchgasverteilungsraum 351 in die Wärmespeicherschüttung 353 ein. Das Rauchgas wird durch die Schüttung nahezu auf die Temperatur des Wärmespeichermediums der heißen linken Seite des Wärmespeichers aufgeheizt und wird über Kanal 116 dem GuD-Kraftwerksprozess zur Verfügung gestellt.
Bei der Darstellung des Zellen- bzw. Schichtspeicherprinzips wurde geschildert, dass ein Zellen- oder Schichtspeicher besonders gut funktioniert, wenn die Wärmeleitung quer zur Strömungsrichtung des Rauchgases begünstigt ist und in Strömungsrichtung eingeschränkt wird. Diesem Umstand wird in der technischen Ausführung des Wärmespeichers in 11 Rechnung getragen. Der Wärmespeicher gemäß 11 ist vom Betrieb und Aufbau ähnlich dem aus 10. Es werden im Wärmespeicher gemäß 11 die Wärmeleitung in Strömungsrichtung durch geeignete Maßnahmen behindert wird und gleichzeitig über Einbauten die Rauchgasströmung vergleichmäßigt.
In 11 ist das Wärmespeichermedium in zahlreiche Zellen 358, 361 und 363 aufgeteilt. Zwischen den einzelnen Zellen befindet sich ein materialfreier Zwischenraum 360 bzw. 362, der die Wärmeleitung zwischen den einzelnen Zellen behindert. Zur Vergleichmäßigung der Durchströmung des Wärmespeichers sind Einbauten 357 jeweils am Beginn und Ende einer Wärmespeicherzelle angebracht. Diese Einbauten können beispielweise aus porösen Keramiken oder Lochblechen bestehen.
Eine weitere Ausführung des Zellenspeichers, bei der die Wärmeleitung in Strömungsrichtung im Vergleich zu der Ausführung in 11 noch stärker behindert wird, ist in 12 dargestellt. Die einzelnen Zellen 366, 372, 376 des Wärmespeichers sind mittels der Isolierung 365 voneinander getrennt. In 11 sind die Zellen dagegen nur innerhalb einer Isolierung 355 durch wärmespeichermediumfreie Bereiche 360 und 362 voneinander getrennt.
Beim Einspeichern tritt das Prozessmedium in 12 durch den Kanal 116 in den Wärmespeicher ein und wird über den Verteilraum 367 in die erste Zelle 366 des Wärmespeichers geleitet. Die Einbauten 368, 369, 371, 373, 375 und 377 dienen der Vergleichmäßigung der Strömung. Anschließend wird das Prozessmedium über die Kanäle 370 in die nachfolgenden Zellen 372 und 376 des Wärmespeichers geführt. Das abgekühlte Prozessmedium verlässt den Wärmespeicher über den Kanal 119. Beim Ausspeichern wird die Durchströmungsrichtung im Wärmespeicher umgedreht. Das Prozessmedium tritt über Kanal 121 in den Wärmespeicher ein und wird dann über strömungsvergleichmäßigende Einbauten 377, 375, 373, 371, 369 und 368 bzw. die Wärmespeicherzellen 376, 372 und 366 und Kanal 116 aufgeheizt und dem Kraftwerksprozess zugeführt.

Claims

Verfahren zur Stromerzeugung, bei dem die zu erzeugende Menge der elektrischen Energie an den schwankenden Strombedarf angepasst wird, mit Hilfe eines mit einem oder mehreren Wärmespeichern (2, 79) ausgerüsteten Kraftwerkes (1), dessen wesentliche Bestandteile ein Dampferzeuger (20, 81, 127), ein Wasser/Dampf-Kreislauf, ein Turbinensatz sowie ein Generator (34, 133) sind, wobei das Verfahren in der Weise betrieben wird, dass in Zeiten geringen Strombedarfs Prozesswärme gespeichert und in Zeiten erhöhten Strombedarfs gespeicherte Prozesswärme dazu genutzt wird, zusätzliche Elektrizität zu erzeugen, dadurch gekennzeichnet, dass das Kraftwerk derart betrieben wird, dass die in Zeiten geringen Strombedarfs gespeicherte Prozesswärme im wesentlichen ausreicht, um die in Zeiten mit hohem Strombedarf gefragten Mengen an elektrischer Energie zu liefern.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in Zeiten erhöhten Elektrizitätsbedarfs vorab gespeicherte Prozesswärme in den Wasser/Dampf-Kreislauf des Kraftwerkes (1) zurückgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in Zeiten erhöhten Elektrizitätsbedarfs vorab gespeicherte Prozesswärme einem weiteren Wasser/Dampf-Kreislauf mit Turbinensatz zugeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Wasser/Dampf-Kreislauf eines weiteren Kraftwerkes genutzt wird.
Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 2 oder nach den Ansprüchen 1 und 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Prozesswärme über Wasser/Dampf ausgespeichert und eingespeichert wird.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass in der Ausspeicherphase ein Teil des vom Dampferzeuger erzeugten Dampfes oder die gesamte Dampfmenge durch den Wärmespeicher geführt wird.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass Bestandteile des Turbinensatzes eine HD- und eine MD-Turbine sind und dass während des Einspeicherns ein Teil des diesen Turbinen zugeführten Frischdampfes bzw. überhitzten Dampfes abgezweigt und durch den Wärmespeicher hindurchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der vor der HD-Turbine abgezweigte Dampfanteil dem Kreislauf in Strömungsrichtung hinter dieser Turbine wieder zugeführt wird und dass die jeweiligen Zustandsgrößen vor und hinter der HD-Turbine im wesentlichen konstant gehalten werden, unabhängig davon, ob eingespeichert wird oder nicht.
Verfahren nach Anspruch 2 oder einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmespeicher während der Ausspeicherphase die Funktion eines zusätzlichen Dampferzeugers hat und dass der zusätzlich erzeugte Dampf dem Turbinensatz zugeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 3 oder 4 und einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmespeicher während der Ausspeicherphase die Funktion eines zusätzlichen Dampferzeugers hat und dass der zusätzlich erzeugte Dampf dem weiteren Wasser/Dampf-Kreislauf zugeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Dampferzeuger unabhängig davon, ob ein- oder ausgespeichert wird, mit im wesentlichen konstanter Last, vorzugsweise mit Vollast, betrieben wird.
Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 2 oder nach den Ansprüchen 1 und 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Prozesswärme über Gase aus- und eingespeichert wird.
Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass in der Einspeicherphase ein Teil der Gase oder die gesamte Gasmenge vor dem Dampferzeuger abgezweigt und durch den Wärmespeicher geführt wird.
Verfahren nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass während des Ausspeicherns durch den Wärmespeicher geführte Gase aufgeheizt und der zusätzlichen Erzeugung von Dampf dienen.
Verfahren nach Anspruch 2 und Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die aufgeheizten Gase dem Dampferzeuger des Kraftwerkes selbst zugeführt werden.
Verfahren nach Anspruch 3 und Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die aufgeheizten Gase einem Dampferzeuger zugeführt werden, der Bestandteil des weiteren Wasser/Dampf-Kreislaufs ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass ds Kraftwerk als GuD-Kraftwerk ausgebildet ist und dass die Dampfturbine mit im wesentlichen konstanter Last betrieben wird.
Verfahren zur Ein- und Ausspeicherung von Prozesswärme in einem mit einem Wärmespeicher ausgerüsteten Kraftwerkes, dadurch gekennzeichnet, dass die Prozesswärme über Dampf/Wasser eingespeichert sowie über Gase ausgespeichert wird oder über Gase eingespeichert sowie über Dampf/Wasser ausgespeichert wird und dass dabei Verfahrensschritte nach einem oder mehreren der Patentansprüche 2 bis 17 eingesetzt werden.
Für die Durchführung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 18 geeignetes Kraftwerk (1) mit einem Dampferzeuger (20, 81, 127), einem Wasser/Dampf-Kreislauf, einem Turbinensatz, einem Generator sowie einem Wärmespeicher (2, 79), dadurch gekennzeichnet, dass das Kraftwerk (1) und der Wärmespeicher (2,79) so ausgelegt sind, dass in Zeiten geringer Stromnachfrage Prozesswärme in einer solchen Menge ausgespeichert werden kann, dass sie im wesentlichen dazu ausreicht, den in Zeiten hoher Stromnachfrage benötigten Energiebedarf zu decken.
Kraftwerk nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass es als Grundlastkraftwerk ausgebildet ist, dass Bestandteil des Turbinensatzes eine Hochdruckturbine (12) ist, dass eine zur Hochdruckturbine (12) parallel geschaltete Leitung (38, 41) durch den Wärmespeicher (2) geführt ist und dass der Wärmespeicher(2) hinsichtlich Druckverlust, Strömungswiderstand und/oder Wärmetauscherfläche so ausgelegt ist, dass er die Hochdruckturbine (12) thermodynamisch abbildet.
Kraftwerk nach Anspruch 19 oder 20, dadurch gekennzeichnet, dass eine eine Wärmespeicher (2) durchsetzende Leitung (44, 46) in Strömungsrichtung hinter dem Überhitzer (28) abzweigt und dass der aus dem Wärmespeicher (2) austretende Leitungsabschnitt (46) entweder – wenn der Dampf im Wärmetauscher kondensiert – in Strömungsrichtung hinter dem Kondensator (5) oder – wenn das Prozessmittel den Wärmetauscher (2) dampfförmig verlässt – vor dem Kondensator (5) in den Wasser/Dampf-Kreislauf mündet und dass den Wärmespeicher (2) durchsetzende Leitungssystem (44, 46) so ausgelegt ist, dass es in der Phase des Einspeicherns die Mittel- und Niederdruckturbine und gegebenenfalls den Kondensator thermodynamisch abbildet.
Kraftwerk nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass der Eintritt des Dampferzeugers (20) über eine mit einem Ventil (66) ausgerüstete Leitung (10) mit der Leitung (46) in Verbindung steht, dass das Ventil (66) in der Einspeicherphase geschlossen und in der Ausspeicherphase offen ist und dass die Leitung (10) über den Wärmespeicher (2) durchsetzende Leitungen mit dem Leitungsabschnitt (38) verbunden ist.
Kraftwerk nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, dass der Turbinensatz und der Generator so ausgelegt sind, dass sie den in Spitzenlastzeiten hohen Bedarf an elektrischer Energie erzeugen können.
Kraftwerk nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass ein zusätzlicher Wasser/Dampf-Kreislauf mit einem Turbinensatz vorgesehen ist und dass der Wärmetauscher (2) Bestandteil dieses weiteren Wasser/Dampf-Kreislaufs ist und die Funktion eines zusätzlichen Dampferzeugers hat.
Kraftwerk nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass es mit einer Brennkammer (74) ausgerüstet ist, deren Auslass mit dem Dampferzeuger (81) in Verbindung steht, und dass der Wärmespeicher (79) parallel zum Dampferzeuger angeordnet ist.
Kraftwerk nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, dass parallel zum Wärmespeicher (79) ein zweiter Dampferzeuger (86) mit Turbinensatz (87) vorgesehen ist.
Kraftwerk nach Anspruch 25 oder 26, dadurch gekennzeichnet, dass es mit einem vorzugsweise auf der kalten Seite von Dampferzeuger (81) und Wärmespeicher (79) befindlichen Klappen-Gebläse-Systems ausgerüstet ist, mit dessen Hilfe die Betriebsphasen – Normalbetrieb, Auspeichern, Einspeichern entweder in den Dampferzeuger (81) oder in den zweiten Dampferzeuger (86) – gesteuert wird.
Kraftwerk nach einem der Ansprüche 25, 26 oder 27, dadurch gekennzeichnet, dass sich zwischen der Brennkammer (74) und dem Wärmespeicher (79) eine Entstaubungsanlage (77) befindet.
Kraftwerk nach einem der Ansprüche 24 oder 26, dadurch gekennzeichnet, dass der zusätzliche Wasser/Dampf-Kreislauf Bestandteil eines weiteren, z.B. ertragsschwachen Kraftwerkes ist, das sich am Standort des Kraftwerkes (1) befindet.
Kraftwerk nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass es als GuD-Kraftwerk mit einem Abhitzekessel (127) ausgebildet ist und dass der Wärmespeicher (118) parallel zum Abhitzekessel (127) angeordnet ist.
Kraftwerk nach Anspruch 30, dadurch gekennzeichnet, dass es mit einem vorzugsweise auf der kalten Seite vom Speicher (118) und Abhitzekessel (127) befindlichen Klappen-Gebläse-Systems ausgerüstet ist, mit dessen Hilfe die Betriebsphasen – Normalbetrieb, Ausspeichern, Einspeichern – gesteuert wird.
Wärmespeicher zur Verwendung in einem Kraftwerk nach den Ansprüchen 18 bis 31, dadurch gekennzeichnet, dass seine Wärmespeicherfähigkeit so gewählt ist, dass die Einspeicherleistung im wesentlichen dazu ausreicht, den in Spitzenlastzeiten benötigten Strombedarf zu decken.
Wärmespeicher nach Anspruch 32, dadurch gekennzeichnet, dass die Anschlüsse für die Prozessmedien am Wärmetauscher so ausgebildet und angeordnet sind, dass die Strömungsrichtung der Prozessmedien in der Einspeicherphase der Strömungsrichtung der Prozessmedien in der Ausspeicherphase entgegengesetzt gerichtet ist.
Wärmespeicher nach Anspruch 32 oder 33, dadurch gekennzeichnet, dass er als Schicht- oder Zellenspeicher ausgebildet ist.
Wärmespeicher nach Anspruch 34, dadurch gekennzeichnet, dass er zweisträngig ausgebildet ist, dass einer der beiden Stränge in der Phase des Einspeicherns die Hochdruckturbine thermodynamisch nachbildet sowie in der Phase des Ausspeicherns die Funktion des Zwischenüberhitzers hat und dass der zweite Strang in der Phase des Einspeicherns die Mitteldruck-, Niederdruckturbine sowie den Kondensator nachbildet und in der Phase des Ausspeicherns den Dampferzeuger ersetzt.
Wärmespeicher nach Anspruch 35, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Stränge über ein Leitung-/Ventilsystem miteinander verbunden sind.
Wärmespeicher nach Anspruch 36, dadurch gekennzeichnet, dass er so ausgebildet ist, dass er eine Energieverschiebung zulässt.
Wärmespeicher nach einem der Ansprüche 32 bis 37, dadurch gekennzeichnet, das er als Fließbettspeicher ausgebildet ist.
Wärmespeicher nach einem der Ansprüche 32 bis 38, dadurch gekennzeichnet, dass für den Transfer von Prozesswärme während des Ein- oder Ausspeicherns Wärmetauscher vorgesehen sind.
Wärmespeicher nach Anspruch 39, dadurch gekennzeichnet, dass er mit einem Kanalsystem für ein Zwischenwärmeträgermedium ausgerüstet ist, dessen Bestandteile der Wärmespeicher und die Wärmetauscher sind.