DE2335594A1

DE2335594A1 - Verbesserte anlage zur energiespeicherung mittels druckluft

Info

Publication number: DE2335594A1
Application number: DE19732335594
Authority: DE
Inventors: Bozidar D Djordjevic
Original assignee: RASTALSKY OSKAR
Current assignee: RASTALSKY OSKAR
Priority date: 1973-02-09
Filing date: 1973-07-13
Publication date: 1974-08-15
Also published as: FR2217546B3; FR2217546A1

Description

VERBESSERTE AHLAGE ZUR ENERGIESPEICHERUNG MIi¹TSLS DRUCKLUFT

Gegenstand der Erfindung ist eine verbesserte Anlage zur Speicherung von Energie mittels Druckluft, dadurch gekennzeichnet« daß eine der Gasentspannungsturbine entnommene Menge von Verbrennungsgasen dem Hauptdruckluftstrom hinzugeführt wird und diese Turbine in einem geschlossenen Kreislauf umläuft«, Die Speicherung von Energie mittels Druckluft ist bekannt und besteht im Prinzip aus einer zeitlichen Trennung der Luftverdichtung; von der Gasentspannung.

Dies bedeutet, daß man, anstelle die durch den Verdichter komprimierte Luft direkt der Entspannungsturbine zuzuleiten, wie dies bei normalen Gasturbinenanlagen geschieht, die Druckluft einem Speicher zugeführt wird und in diesen, solange es notwendig ist, aufgespeichert wird» Sodann wird, wenn Energie für die Tagesschwankungslast und Spitzenlast benötigt wird, diese aufgespeicherte Druckluft der Gasturbine zum Verbrauch zugeführt, während der Verdichter außer Betrieb ist»

Auf diese Weise wird die Leistung der Turbine auf das zweieinhalbfache und sogar auf das dreifache gegenüber der Normalleistung erhöht, bei der die Turbine außer der nutzbaren Energie auch die für den Antrieb des Verdichters benötigte Energie, wie dies bei normalen Turbinenanlagen geschieht, zu erzeugen hätte.

Die bisher bekannten Anlagen von Gasturbinen mit Energiespeicherung haben den Nachteil einen Druckluftspeicher von sehr bedeutendem Volumen zu benötigen, haben auch einen relativ geringen Wirkungsgrad, besonders wenn keine Optimalisierung der Anlage gatroffen wurde.

-Um das Volumen des besagten Luftspeichers zu verringern, ist der Gedanke aufgekommen in die Brennkammer Wasser oder Wasserdampf einzuspritzen und auf diese Weise eine zusätzliche Menge von Treibgasen entstehen zu lassen, um die benötigte Luftmenge und dadurch aas Volumen des Druckluftspeichers zu verrringern.

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Der Nachteil dieser Methods ist eine Verringerung des V/irkungsracI--;-- der Anlage sowie der Umstand, daß eine jjroße Menge entmiliralisierten Wassers benötigt wird, wobei die Leistung cer Maschineneinheit, beim heutigen Stanc. der ■Technik, wie bisher nur etwa 350 MW betragt.

Die Anlage gemäß dieser Erfindung besteht aus den gleichen Bestandteilen aus denen die bekannten Anlagen bestehen, und zwar aus Luftverdichtern mit Zwischenkühlern, Druckluftspeicher, Brennkammer und Wärmeaustauscher bis auf die Entcpannungsturbinc, welche jetzt aus zwei einzelnen in Serie geschalteten Turbinen für Hoch- und Niederdruck mit verschiedenen Durchflußgasmengen, zusammengesetzt ist. Außerdem wird, erfindungsgemäß dem Hauptluftstrom ein zusätzlicher Kreislaufstrom von Verbrennungsgasen hinzugefügt, welchenach der letzten Stufe des Hochdruckteils aer iuntspannungsturbine entnommen wird, und welcher mittels eines Verdichters im geschlossenen Kreislauf umläuft. Dieser Kreislaufstrom entsteht am Ausgang des Hochdruckteils der Entspannungsturbine, läuft durch den Niederdruckteil eines Rekuperators, einen Kühler und durch den Kreislaufverdichter, der zur Förderung dieses zusätzlichen Stroms im geschlossenen Kreislauf dient, dessen Druck, der vorher im Hochdruckteil der Turbine gesenkt wurde, auf den ursprünglichen Druck vor der Turbine erhöht, und sodann aie Hochdruckseite des besagten Rekuperators und eine Brennkammer durchläuft, bevor er in den Hochdruckteil der Entspannungstu.rbine eintritt.

Somit werden in dieser Turbine gleichzeitig beice Ströme entspannt und zwar der Haupt-Druckluftstrom und der zusätzliche Strom, gebildet durch die entnommenen Verbrennungsgase„

Sämtliche Maschinen, einschließlich die Gruppe von Verdichtern, die zur Füllung des Luftspeichers dienen, die Entspannungsturbine, der Kreislaufverdichter sowie aer elektrische Generator können £·.·.£ derselben Antriebswelle montiert "..-erden wie auch, wenn dies besser entspricht, 409833/0253

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kann die 7erdij?chtergruppe rait tr einem Antriebsmotor auch auf einer getrennten Antriebswelle installiert werden.»

Auf der beiliegenden Skizze sind unter Figo 1 una Fig. 2 zwei Beispiele einer Anlage die den Gegenstand der Erfindung darstellt, gezeigte

Auf Fig. 1 ist eine Anlage mit einen Druckluftspeicher für konstanten Druck dargestellt. I.und 2. zeigen eine Entspannungcturbine aus zwei Teilen bestehend, einen Hochdruckteil und einen Niederdrückteil_o Die Brennkammer ist durch 3. bezeichnet, dar Wärmeaustauscher (Rekuperator) ist durch 4., der Kühler im geschlossenen Kreislauf durch 5·? während dex* Druckluftspeicher mit konstantem Druck mit 7° bezeichnet sind» Die 3 Kompeasoren für den Hauptluftstrom sind durch 8., 9· und 10. bezeichnete Die ausschaltbaren Kuppelungen tragen cie Bezeichnung 11« una 12. ; durch Benutzung dieser Kuppelungen wir-a ermöglicht, aen Synchron-Generator als Antriebsmotor für die ganze i^ompressorgruppe zu benutzen_β Kit 15« wird der Brennstoff, vorzugsweise Gas, bezeichnet, während mit 13.,14-„ und 21. die Ventile aurch die Entspannung zur Stromerzeugung oder die Luftverdichtung zum Auffüllen des Speichers betätigt werden können, oder/ aber die Turbine als normale Gasturbine ohne Energiespeicherung in Tätigkeit gesetzt werden kann«,

Auf der Skizze Fig. 2 wird eine Anlage als Gegenstand der Erfindung mit einem Speicher von konstanten Volumen dargestellt. Diese Anlage ist von der unter Fig. 1 beschriebenen Anlage dadurch verschieden, daß der Speicherdruck höher sein kann als der Druck bis zu welchem nach dem heutigen Stand der Technik Brennkammern gebaut werden können, wie beispielsweise über 25 b.. und sogar bis zuviel höheren Drücken z.B. von 150 b.

Auch ist diese Anlage von aer in Fig. 1 gezeigten Anlage verschieden durch den zusätzlichen Rekuperator 17«> montiert am Ausgang des Niederdruckteils der Entspannungsturbine, welcher die aus aem Speicher entnommene Luft erhitzt und

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dann in der Turbine 18., die mit aen anderen Maschinen auf einer gemeinsamen Welle montiert ist, entspannt wird» Diese Anlege ist schließlich auch durch die Tatsache verschieden, daß die Luftverdichter durch einen getrennten Motor angetrieben werden, demzufolge die ausrückbaren Kuppellungen und 12. aus !¹Xg. 1 nicht notwendig sind»

Die uen Gegenstand der Erfindung bildende Anlage ermöglicht große wirtschaftliche Vorteile zu erreichen und zwar:

- Der Luftspeicher kann ein ungefähr um die Hälfte geringeres Volumen bei der gleichen Anlageleietung besitzen»

- Der V/irkungsgrad der Anlage ist wesentlich größer. Im Falle der an späterer Stelle als Beispiel beschriebenen Anlage, ist der V/irkungsgrad anstatt 34,4$, bei einer Anlage für Energiespeicherung durch Druckluft der bisher bekannten Art mit optxmalisiertem V/irkungsgrad, bei der den Gegenstand der Erfindung bildenden Anlage 4-0,6y£> ohne der möglichen Optimalisierung des Wirkungsgrades«

- Die maximale Leistung einer Einheit der nach der Erfindung verbesserten Anlage ist ungefähr verdoppelt und beträgt etwa 750 MW anstatt 330 MW, bei einer Luftmenge von p^>0 kg/s, die beim heutigen Stand der Technika für Gasturbinen möglich ist.

- Die den Gegenstand der Erfindung bildende Anlage besitzt in Bezug auf die Möglichkeit diese schnell anzufahren und bei plötzlich wechselnden Belastungen zu betreiben, ausgezeichnete Eigenschaften wie bei bisher bekannten Anlagen mit Energiespeicherung durch Druckluft«

um zu ermöglichen, daß die vorstehenden Ausführungen klar dargestellt werden, folgt nachstehend eine Aufstellung zum Vergleich der Eigenschaften einer Anlage mit Energiespeicherung mittels Druckluft der bisher bekannten Art mit einer gemäi der Erfindung verbesserten Anlage, wobei für beide Anlagen die gleichen Werte zugrunde gelegt sind:

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Bisher bekannte Anlage von 250 MW Nominalleistung

Laut der vorliegenden Erfindung verbesserte Anlage von 25O MW Nominalleistung

Druck am Eintritt der Entspannungsturbine ■ 25 b

Anzahl von Verdichtern mit je zwei Luftkühlern

Lufttemperatur am Eintritt der Entspannungsturbine · 85O⁰C

Luftmenge pro kWh 5>25 kg/kWh Verbrauch in der Verbrennungskam-

25 b

Mittlerer Verbrauch der Kraftwerke des Netzes

Gesaratverbrauch

Speicherinhalt für volle Last während 6 Stunden Arbeit

Gesamtleistung der Luftverdi cht er

Leistung des Verdichters im geschlossenen Kreislauf

Leistung bei normalem Einsatz der Anlage ohne Energiespeicherung

Maximalleistung, erreichbar bei einer Luftmenge von 550 kg/s.

1000 kcal/kWh

2,64 kg/kWh 1.520 kcal/kWh

2.200	kcal/kWh	MW	2	.200	kcal/kWh
2.32O	kcal/kWh	2	.140	kcal/kWh
288.000 m3	145.	000	»5
150		75 :	MW

95 MW

etwa 100 MW

380 MW etwa 175 MW

75Ο MW.

Diese vergleichsweise Gegenüberstellung zeigt die bedeutende Verbesserung des Wirkungsgrades der Anlage, die Volumenverringerung des Druckluftspeiehers und der Erhöhung der Maximalleistune der Einheiten.

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Es ist wichtig darauf hinzuweisen, daß die für die Ausführung der Turbinen u'nd der Verdichter sowie der anderen Teile der Anlage, die den Gegenstand der Erfindung berührt mit der bestehenden Technologie bereits mit Erfolg in tier Indu&trie angewandt worden ist.

Die Verbesserung, beim Betrieb der aen Gegenstand der Erfindung bildenden Anlage ist umso weit größer, als der Überschuß der Luftmenge in der Brennkammer geringer ist. Man muß darauf achten, daß dieser Überschuß zuminaest ΛΟ/ö beträgt .

Um einer Optimalisierung der die Erfindung bildenden Anlage zu erreichen, kann man sowohl den Druck als auch die Temperatur am Eintritt der Entspannungsturbine entsprechend verändern, sowie ebenfalls die Durchflußgasmenge und das Druckverhältnis des KreislaufStroms.

Wenn man die Temperatur am Eingang der Turbine z.B. auf 9OO0 C erhöht und 4- in der Reihe montierte Luftverdichter einsetzt, erreicht man eine Erhöhung des Wirkungsgrao.es bis zu etwa 4-4-$.

Am günstigsten verwendet man in der Anlage Erdgas, aber es ist ebenfalls möglich geeignete flüssige Brennstoffe zu verwenden.

Der genannte Wirkungsgrad von 4-4·$ hat zu bedeuten, daß die Anlage mit Energiespeicherung ans Netz die für die Luftkompression verbrauchte Energie mit einem Verlust von etw 3# zurückgibt, während die Kalorien des Brennstoffs, der in der.Anlage verbraucht wird in elektrischen Strom mit einem ' Wirkungsgrad von 4-4$ umgewandelt werden. Es ist günstig die vorstehend beschriebene Erfindung in allen Fällen von Energiespeicherung durch Druckluft sowohl bei Druckluftspeichern mit konstantem Druck als auch bei Speichern mit konstanten Volumen anzuwenden.

Ebenfalls aber empfiehlt es sich, angesichts des sehr hoehen Wirkungsgrades, der bis zu 44-% betragen kann, eine Anlage, wie oben beschrieben auf die konventionelle Art auch ohne Engrgiespeicherung zu betreiben. Es ist sogar möglich Anlagen dieser Art ir. konventionellen Betrieb anstelle von großen Dieselmotoren , wie sie für den Antrieb vor. Schiffen verwendet v/erc.en, zu benutzen.

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Bei Anlagen bei denen Luftspeicher mit konstantem Volumen in Steinsalzschichtien oaer in unterirdisch wasserführenden Schichten Anwendung finden, ist die Anwendung der-Erfindung ebenfalls sehr vorteilhafte

die

Abschließend ist festzustellen, ä&a die Anlage, den Gegenstand dieser Erfindung darstellt, nicht nur für die Erzeugung von Spitzenstrom sondern auch von sonstigem Tagesstrom eine hohe Wirtschaftlichkeit erreicht, die durch keine andere Art von Anlagen derzeit erzielt v/erden kann»

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Claims

PATENTANSPRÜCHE 2 3 3 5 5 9 A

1.) Verbesserte Anlage für Energiespeicherung mittels druckluft, bestehend aus einer Luftverdichtungsanlage, einer DruckluftentSpannungsanlage und einem Druckluftspeicher, dadurch gekennzeichnet, daß dem Hauptdruckluftstrom der aus dem Speicher 7> in welchem er gespeichert worden ist, zu einer Entspannungsturbine gerichtet wird, welche aus einem Hochdruckteil Ϊ und einem Niedruckteil 2, deren Durchflußgasmengen verschieden sind, ein zusätzlicher Strom von Verbrennungsgasen hinzugefügt wird, der aus dem Schluß des Hochdruckteils 1 der Entspannungsturbine stammen in einem Kreislauf umläuft und durch die Niederdruckseite des Rekuperators 4- , den Kühler 5 und den Verdichter 6, der den Kreislauf verwirklicht und den vorhergehend in dem Hochdruckteil 1 der Entspannungsturbine reduzierten Druck vor der Brennkammer 3 an Druckniveau des Haup-fcdruckluftstroms erhöht; nachher, durch die Hochdruckseite des angeführten Rekuperators 4· und durch die Brennkammer 3 gehend, um schließlich den geschlossenen Kreislauf über den Hochdruckteil 1 der EnMh spannungstürbine zu schließen, wobei der Kreislaufstrom gleichzeitig mit dem Hauptdruckluftstrmm im Hochdruckteil der Entspannungsturbine entspannt wird.

2, Verbesserte Anlage gemäß Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Druckluft aus dem Luftspeicher 7» bevor sie in die Brennkammer eintritt durch den Rekuperator 17 erhitzt wird, der am Austritt des Niederdruckteils der Entspannungsturbine 2 installiert ist, um in der Turbine entspannt zu werden, die auf der gleichen Antriebswelle wie die anderen Maschinen montiert ist, bis auf den in der Brennkammer 3 herrschenden Druck.

3. Verbesserte Anlage gemäß Patentansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine Brennkammer zusammen mit einem Verbrennungsluftzufuhr am Eintritt des Niederdruckteils 2 der Entspannungsturbine installiert ist und dadurch zur Erhöhung der Temperatur im Rekuperator 17 dient. 409833/0253