DE19535288A1

DE19535288A1 - Verfahren und Anlage zum Verstromen eines Brenngases

Info

Publication number: DE19535288A1
Application number: DE19535288A
Authority: DE
Inventors: Christoph Dr Noelscher; Peter Dipl Ing Suchy
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1995-09-22
Filing date: 1995-09-22
Publication date: 1997-03-27

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Anlage zum Verstromen eines Brenngases.

Aus dem Aufsatz "Thermodynamische Analyse von Kombiprozessen mit integrierter Kohlevergasung und CO₂-Rückhaltung" von R. Pruschek, VGB Kraftwerkstechnik 73 (1993), Seiten 577-584, Universität Essen, ist die Verbrennung von Brenngasen in Gas turbinen, zum Teil mit nachgeschalteten Dampfturbinen be kannt. Als Brenngase kommen hier z. B. Synthesegase in Be tracht, die in Vergasungsanlagen bei der Verbrennung von Kohle, Schweröl, Teer, Biomasse, Müll usw. erzeugt werden. Die Verwendung von Erdgas ist eine weitere Möglichkeit.

Auch bei der Stromerzeugung aus Brennstoffzellen werden Syn thesegase verwendet, hierzu siehe z. B. "Advanced Power Sy stems Featuring a Closed Coupled Catalytic Gasification Car bonate Fuel Cell Plant" von G. Steinfeld, 17th Biennial Low- Rank Fuels Symposium, St. Louis, May 1993. Durch den Einsatz von Brennstoffzellen kann der Wasserstoffanteil der Synthese gase effizient mit Wirkungsgraden größer 60% zur Stromerzeu gung genutzt werden.

Als problematisch erweist sich die Zielsetzung, immer höhere Wirkungsgrade zu erzielen. Zudem wird eine Anlage zur Strom erzeugung nicht immer unter Vollast betrieben. Besteht ein verringerter Strombedarf, so wird die Anlage nicht im optima len Bereich betrieben, was z. B. den Wirkungsgrad verringert.

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Verstromen eines Brenngases, insbesondere ein Synthesegas aus einer Vergasungsanlage, anzugeben, das eine hocheffizien te und flexible Energiegewinnung gewährleistet und das sowohl im Vollastbereich als auch im Mittellastbereich wirtschaft lich arbeitet. Außerdem ist eine Anlage zum Verstromen eines Brenngases anzugeben.

Die erstgenannte Aufgabe wird gemäß der Erfindung gelöst durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruches 1. Die zweitgenannte Aufgabe wird gemäß der Erfindung jeweils gelöst durch eine Anlage mit den Merkmalen des Patentanspru ches 13 oder des Patentanspruches 14.

Bei dem Verfahren zum Verstromen eines Brenngases, das Koh lenmonoxid CO und Wasserstoff H₂ enthält, wird gemäß der Er findung mit einem Teil des Brenngases eine Gasturbinenanlage betrieben und ein anderen Teil zum Betreiben einer Brenn stoffzellenanlage bereitgestellt. Dieses Verfahren zum Ver stromen eines Brenngases, bei dem eine Gasturbinenanlage und eine Brennstoffzellenanlage kombiniert betrieben werden, er weist sich als wesentlich effizienter und flexibler bezüglich der Energiegewinnung als der Betrieb einer Gasturbinenanlage oder Brennstoffzellenanlage alleine. Es können Synthesegase aus Vergasungsanlagen verwendet werden, die in verschiedenen Vergasungsprozessen entstehen, z. B. bei der Vergasung aus Kohle, Schweröl, Teer, Biomasse, Müll sowie Erdgas. Ein Teil der unedleren Komponenten des Brenngases wird für den Betrieb der Gasturbinenanlage verwendet und ein Teil der edleren Kom ponenten, insbesondere Wasserstoff H₂, für den Betrieb der Brennstoffzellenanlage, dies gewährleistet eine möglichst ef fiziente Ausnutzung und Verwertung des Brenngases.

In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung wird mit ei ner H₂-Abtrennvorrichtung der Wasserstoff H₂ aus einem Brenn gas abgetrennt. Diese Abtrennung kann kostengünstig z. B. durch Membranen oder eine Druckwechsel-Absorption er folgen.

Vorzugsweise wird der Wasserstoff H₂ aus der H₂-Abtrennvor richtung in die Brennstoffzellenanlage eingespeist. Bei ge genüber Vollast verringertem Strombedarf kann bei verringer ter Brenngaserzeugung durch überproportional verringerter H₂-Verbrennung in der Brennstoffzellenanlage die Gasturbinenan lage weiterhin im optimalen Bereich betrieben werden. Die verringerte H₂-Verbrennung kann durch reduzierte H₂-Abtren nung in der Abtrennvorrichtung oder durch reduzierte H₂-Er zeugung bereits zuvor erfolgen. Durch den Teillastbetrieb kann der elektrische Wirkungsgrad der Brennstoffzellenanlage ansteigen, während der elektrische Wirkungsgrad der Gasturbi nenanlage konstant bleibt, so daß der Gesamtwirkungsgrad bei Teillast ebenfalls ansteigen kann. Hierdurch wird ein wirt schaftlicher Betrieb im Mittellastbereich gewährleistet. Die Kombination aus Gasturbinenanlage und Brennstoffzellenanlage muß zudem nicht in einer Anlage integriert sein. Wird die ko stengünstige Gasturbinenanlage stationär und zentral betrie ben, so kann die Nutzung des Wasserstoffes H₂, z. B. als Treibstoff für Fahrzeuge oder in kleinen Wärme-Kraft-Kopp lungsanlagen, dezentral erfolgen. Dies gewährleistet über das Speichervermögen des H₂-Netzes und assoziierter Speicher ei nen noch flexibleren Einsatzbereich.

Vorzugsweise wird der Wasserstoff H₂ gespeichert. Durch die Speicherung des Wasserstoffs H₂ wird eine Aufteilung der An lage zur Stromerzeugung in eine zentrale und eine dezentrale Einheit ermöglicht. Dies führt zugleich zu einer Einsparung von Netzausbaukosten.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird das Kohlenmonoxid CO und ein Teil des Wasserstoffes H₂ in die Gasturbinenanlage eingespeist.

Insbesonder wird ein Teil des Kohlenmonoxids CO in einem Shiftreaktor in einer Shiftreaktion zu Kohlendioxid CO₂ und Wasserstoff H₂ umgesetzt.

In einer weiteren Ausgestaltung wird das Kohlendioxid CO₂ und der Wasserstoff H₂ aus dem Shiftreaktor in die Brennstoffzel lenanlage eingespeist.

Insbesondere wird der nichtverbrauchte H₂-Anteil und das Koh lendioxid CO₂ in die Gasturbinenanlage eingespeist. Der in der Brennstoffzellenanlage nichtverbrauchte H₂-Anteil wird somit in der Gasturbinenanlage vollständig zur Erzeugung von Energie verbraucht.

Vorzugsweise wird das Kohlendioxid CO₂ in einer CO₂-Abtrenn vorrichtung von dem Wasserstoff H₂ getrennt. Dadurch wird auch der Einsatz von Brennstoffzellen ermöglicht, die emp findlich auf Verunreinigungen reagieren.

In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird als Gasturbinenanlage eine GuD-Anlage verwendet.

In einer weiteren Ausgestaltung wird die Abwärme eines Brenn gases in die GuD-Anlage eingespeist. In dieser Ausgestaltung wird die bei der Vergasung in der Vergasungsanlage entste hende Abwärme zusätzlich für den Betrieb der GuD-Anlage ver wendet, was zu einer zu einer effizienteren Energiegewinnung aus den Brenngasen führt.

Bei der Anlage zum Verstromen eines Brenngases, das Kohlen monoxid CO und Wasserstoff H₂ enthält, sind gemäß der Erfin dung eine Gasturbinenanlage und eine Brennstoffzellenanlage vorgesehen, die jeweils mit einem Teil des Brenngases betrie ben werden.

Bei der Anlage gemäß Patentanspruch 14 zum Verstromen eines Brenngases, das Kohlenmonoxid CO und Wasserstoff H₂ enthält, sind gemäß der Erfindung eine Gasturbinenanlage sowie eine Einrichtung zum Speichern des anderen Teils des Brenngases vorgesehen.

Insbesondere ist eine H₂-Abtrennvorrichtung zum Abtrennen des Wasserstoffes H₂ aus einem Brenngas vorgesehen.

Vorzugsweise ist ein Shiftreaktor zum Umsetzen eines Brennga ses in einer Shiftreaktion zu Kohlendioxid CO₂ und Wasser stoff H₂ vorgesehen.

In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist eine H₂- Speicheranlage zum Puffern von Bedarfsschwankungen der Brenn stoffzellenanlage vorgesehen. Dadurch wird ein vorteilhaftes Überlastverhalten der Brennstoffzellenanlage erreicht, womit z. B. die Sekundenreserve oder kurzzeitige Lastspitzen ge deckt werden können. Durch den Einsatz der H₂-Speicheranlage kann die Brennstoffzellenanlage kurzfristig sehr schnell ein Mehrfaches ihrer Nennleistung abgeben. Dieser zusätzliche Speicher wird in Schwachlast oder Normalbetriebszeiten aufge füllt. Einbrüche im Wirkleistungsbereich werden durch die Brennstoffzellenanlage durch Minderverbrauch nachgeregelt.

In einer weiteren Ausführungsform ist ein Oxidansspeicher zum Puffern von Bedarfsschwankungen der Brennstoffzellenanlage vorgesehen.

Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird auf die Ausfüh rungsbeispiele der Zeichnungen verwiesen.

Fig. 1 bis Fig. 6 zeigen Anlagen zum Verstromen eines Brennga ses gemäß der Erfindung jeweils in schematischer Darstellung.

Gemäß Fig. 1 umfaßt eine Anlage zum Verstromen eines Brenn gases eine Gasturbinenanlage 2 und eine Brennstoffzellenanla ge 4. Das zum Betrieb der Gasturbinenanlage 2 und der Brenn stoffzellenanlage 4 erforderliche Brenngas wird in einer Ver gasungsanlage 38 produziert, der über einen Zuweg 20 Brenn stoffe zugeführt werden. Hierbei handelt es sich z. B. um Kohle, Schweröl, Teer, Biomasse oder Müll. Desweiteren werden die Brenngase in der Vergasungsanlage 38 gereinigt, d. h. sie werden von Rußpartikeln und anderen Schmutzteilchen befreit. Bei der Verwendung von Erdgas als Brennstoff wird die Verga sungsanlage 38 durch einen Reformer ersetzt.

Das Brenngas, das Kohlenmonoxid CO und Wasserstoff H₂ ent hält, wird aus der Vergasungsanlage 38 über eine Leitung 22 in eine H₂-Abtrennvorrichtung 6 eingespeist. Als H₂-Abtrenn vorrichtung 6 können z. B. eine Druckwechselabsorptionsvor richtung oder Membranen verwendet werden. Der in der H₂-Ab trennvorrichtung 6 abgetrennte Wasserstoff H₂ wird über eine Leitung 24 in eine Brennstoffzellenanlage 4 eingespeist. In die Brennstoffzellenanlage 4 wird außerdem Luft oder mit Sau erstoff O₂ angereicherte Luft über eine Leitung 34 einge speist.

Der in der Brennstoffzellenanlage 4 produzierte elektrische Strom wird über einen Spannungsumrichter 30 und eine Leitung 28 an einen nicht weiter bezeichneten Verbraucher weiterge leitet. Der Spannungsumrichter 30 wandelt den von der Brenn stoffzellenanlage 4 produzierten Gleichstrom in Wechselstrom um.

Der Kohlenmonoxid CO enthaltende Teil des Brenngases wird aus der H₂-Abtrennvorrichtung 6 über eine Leitung 26 in eine Gasturbinenanlage 2 eingespeist. Der in der Gasturbinenanlage 2 produzierte elektrische Strom wird über eine Leitung 32 an einen nicht weiter bezeichneten Verbraucher abgeführt.

In einer dezentralen Ausführungsform ist die Brennstoffzel lenanlage 4 in einer dezentralen Einheit, beispielsweise die Brennstoffzellen in einem Auto, nicht unmittelbar mit einer zentralen Einheit, Vergasungsanlage 38 und H₂-Abtrennvorrich tung umfassend, verbunden. Dabei wird der Wasserstoff H₂ in einer Einrichtung 25, als Bestandteil der dezentralen Ein heit, gespeichert.

Gemäß Fig. 2 wird als Gasturbinenanlage 2 eine GuD-Anlage 12 verwendet. Aus der Vergasungsanlage 38 wird die beim Verbren nungsprozeß entstehende Abwärme über eine Leitung 36 in die GuD-Anlage 12 eingespeist. In dieser Ausführungsform wird die bei der Verbrennung in der Vergasungsanlage 38 entstehende Abwärme zusätzlich für den Betrieb der GuD-Anlage 12 verwen det, was zu einer effizienteren Energiegewinnung aus den Brenngasen führt.

In dem dritten Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 3 zweigt aus der Leitung 22 zwischen der Vergasungsanlage 38 und der H₂-Abtrennvorrichtung 6 eine Leitung 40 ab, die in die Gasturbi nenanlage 2 mündet. Über die Leitung 40 wird ein Teil des in der Vergasungsanlage 38 erzeugten Brenngases, das noch Koh lenmonoxid CO und Wasserstoff H₂ enthält, direkt in die Gasturbinenanlage 2 eingespeist und zur Erzeugung von Energie verwendet.

Der andere Teil des Brenngases, der ebenfalls Kohlenmonoxid CO und Wasserstoff H₂ enthält, wird über die Leitung 22 in einen Shiftreaktor 8 eingespeist. Das in dem Shiftreaktor entstehende Kohlendioxid CO₂ und der Wasserstoff H₂ werden über eine Leitung 44 in die Brennstoffzellenanlage 4 einge speist. Der in der Brennstoffzellenanlage 4 nicht verbrauchte Wasserstoffanteil H₂ und das Kohlendioxid CO₂ werden über ei ne Leitung 42 in die Gasturbinenanlage 2 eingespeist. Der in der Brennstoffzellenanlage 4 nicht verbrauchte H₂-Anteil wird somit in der Gasturbinenanlage 2 vollständig zur Erzeugung von Energie verbraucht.

Eine alternative Möglichkeit besteht darin die Gasturbinenan lage 2 wiederum durch eine GuD-Anlage 12 zu ersetzen, wodurch dann zusätzlich eine Abwärmeabführung aus der Brenngasanlage 38 und aus der Brennstoffzellenanlage 4 in die GuD-Anlage 12 ermöglicht würde.

In dem vierten Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 4 wird das Brenngas aus dem Shiftreaktor 8, das Kohlendioxid CO₂ und Wasserstoff H₂ enthält über eine Leitung 50 in eine CO₂-Ab trennvorrichtung 10 eingespeist. In der CO₂-Abtrennvorrich tung 10 wird das Kohlendioxid CO₂ abgetrennt und über eine Leitung 60 zu einer weiteren hier nicht näher bezeichneten Aufbereitung abgeführt, währenddessen der Wasserstoff H₂ aus der CO₂-Abtrennvorrichtung 10 über eine Leitung 52 in die Brennstoffzellenanlage 4 eingespeist wird. Dadurch wird auch der Einsatz von Brennstoffzellen in der Brennstoffzellenanla ge 4 ermöglicht, die empfindlich auf Verunreinigungen reagie ren.

Die Abwärme aus der Vergasungsanlage 38 wird über eine Lei tung 58 und die Abwärme aus dem Shiftreaktor 8 über eine Lei tung 54 in eine Dampfturbine 56 für eine weitere Nutzung ein gespeist.

Gemäß Fig 5 ist zwischen die CO₂-Abtrennvorrichtung 10 und die Brennstoffzellenanlage 4 über die Leitungen 72 und 74 ei ne H₂-Speicheranlage 70 integriert, wobei die H₂-Speicheran lage 70 beispielsweise einen Verflüssiger und einen Verdamp fer umfassen kann. Dadurch wird ein vorteilhaftes Überlast verhalten der Brennstoffzellenanlage 4 erreicht, womit z. B. die Sekundenreserve oder kurzzeitige Lastspitzen gedeckt wer den können. Durch den Einsatz der H₂-Speicheranlage 70 kann die Brennstoffzellenanlage 4 kurzfristig sehr schnell ein Mehrfaches ihrer Nennleistung abgeben.

In dem Ausführungsbeispiel in Fig. 6 wird zusätzlich eine Oxi dansspeichervorrichtung 80 integriert, die über eine Leitung 82 an die Leitung 34 für die externe Zufuhr von Sauerstoff angeschlossen ist. Die Oxidansspeichervorrichtung 80 ist eine weitere Vorrichtung um das Überlastverhalten der Brennstoff zellenanlage 4 zu verbessern.

Claims

1. Verfahren zum Verstromen eines Brenngases, das Kohlenmon oxid CO und Wasserstoff H₂enthält, bei dem mit einem Teil des Brenngases eine Gasturbinenanlage (2) betrieben und ein anderer Teil zum Betreiben einer Brennstoffzellenanlage (4) bereitgestellt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem mit einer H₂-Abtrenn vorrichtung (6) Wasserstoff H₂ aus einem Brenngas abgetrennt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, bei dem der Wasserstoff H₂ aus der H₂-Abtrennvorrichtung (6) in die Brennstoffzellenanlage (4) eingespeist wird.

4. Verfahren nach Anspruch 2, bei dem Wasserstoff H₂ gespei chert wird.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das Kohlenmonoxid CO und ein Teil des Wasserstoff H₂ in die Gasturbinenanlage (2) eingespeist wird.

6. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem ein Teil des Kohlenmon oxids CO in einem Shift-Reaktor (8) in einer Shift-Reaktion zu Kohlendioxid CO₂ und Wasserstoff H₂ umgesetzt wird.

7. Verfahren nach Anspruch 6, bei dem das Kohlendioxid CO₂ und der Wasserstoff H₂ aus dem Shift-Reaktor (8) in die Brennstoffzellenanlage (4) eingespeist werden.

8. Verfahren nach Anspruch 6, bei dem Wasserstoff H₂ gespei chert wird.

9. Verfahren nach Anspruch 7, bei dem der nichtverbrauchte H₂-Anteil und das Kohlendioxyd CO₂ in die Gasturbinenanlage (2) eingespeist werden.

10. Verfahren nach Anspruch 6, bei dem das Kohlendioxid CO₂ in einer CO₂-Abtrennvorrichtung (10) von dem Wasserstoff H₂ getrennt wird.

11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der als Gasturbinenanlage (2) eine GuD-Anlage (12) verwendet wird.

12. Verfahren nach Anspruch 11, bei dem die Abwärme eines Brenngases in die GuD-Anlage (2) eingespeist wird.

13. Anlage zum Verstromen eines Brenngases, das Kohlenmonoxid CO und Wasserstoff H₂ enthält, bei der eine Gasturbinenanlage (2) und eine Brennstoffzellenanlage (4) vorgesehen sind, die jeweils mit einem Teil des Brenngases betrieben werden.

14. Anlage zum Verstromen eines Brenngases, das Kohlenmonoxid CO und Wasserstoff H₂ enthält, bei der eine Gasturbinenanlage (2) sowie eine Einrichtung (25) zum Speichern des anderen Teils des Brenngases vorgesehen sind.

15. Anlage nach Anspruch 13 oder 14, bei der eine H₂-Abtrenn vorrichtung (6) zum Abtrennen des Wasserstoffes H₂ aus einem Brenngas vorgesehen ist.

16. Anlage nach Anspruch 13 oder 14, bei der ein Shift-Reak tor (8) zum Umsetzen eines Brenngases in einer Shift-Reaktion zu Kohlendioxyd CO₂ und Wasserstoff H₂ vorgesehen ist.

17. Anlage nach Anspruch 13 oder 14, bei der ein H₂-Speicher anlage (70) zum Puffern von Bedarfsschwankungen der Brenn stoffzellenanlage (4) vorgesehen ist.

18. Anlage nach Anspruch 13 oder 14, bei der ein Oxidansspei chervorrichtung (80) zum Puffern von Bedarfsschwankungen der Brennstoffzellenanlage (4) vorgesehen ist.