EP3908739A1 - Wasserstoff-dampf-kraft-werk - Google Patents

Wasserstoff-dampf-kraft-werk

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Publication number
EP3908739A1
EP3908739A1 EP19849021.1A EP19849021A EP3908739A1 EP 3908739 A1 EP3908739 A1 EP 3908739A1 EP 19849021 A EP19849021 A EP 19849021A EP 3908739 A1 EP3908739 A1 EP 3908739A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
steam
hydrogen
exhaust gas
line
primary
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP19849021.1A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Thomas Lamla
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Individual
Original Assignee
Individual
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Individual filed Critical Individual
Publication of EP3908739A1 publication Critical patent/EP3908739A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01K—STEAM ENGINE PLANTS; STEAM ACCUMULATORS; ENGINE PLANTS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; ENGINES USING SPECIAL WORKING FLUIDS OR CYCLES
    • F01K23/00—Plants characterised by more than one engine delivering power external to the plant, the engines being driven by different fluids
    • F01K23/02—Plants characterised by more than one engine delivering power external to the plant, the engines being driven by different fluids the engine cycles being thermally coupled
    • F01K23/06—Plants characterised by more than one engine delivering power external to the plant, the engines being driven by different fluids the engine cycles being thermally coupled combustion heat from one cycle heating the fluid in another cycle
    • F01K23/10—Plants characterised by more than one engine delivering power external to the plant, the engines being driven by different fluids the engine cycles being thermally coupled combustion heat from one cycle heating the fluid in another cycle with exhaust fluid of one cycle heating the fluid in another cycle
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01K—STEAM ENGINE PLANTS; STEAM ACCUMULATORS; ENGINE PLANTS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; ENGINES USING SPECIAL WORKING FLUIDS OR CYCLES
    • F01K21/00—Steam engine plants not otherwise provided for
    • F01K21/04—Steam engine plants not otherwise provided for using mixtures of steam and gas; Plants generating or heating steam by bringing water or steam into direct contact with hot gas
    • F01K21/047—Steam engine plants not otherwise provided for using mixtures of steam and gas; Plants generating or heating steam by bringing water or steam into direct contact with hot gas having at least one combustion gas turbine
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E70/00—Other energy conversion or management systems reducing GHG emissions
    • Y02E70/30—Systems combining energy storage with energy generation of non-fossil origin

Definitions

  • Hydrogen-steam power plant The invention relates to a hydrogen-steam power plant (H2DKW) for
  • Liquid gas storage known storage in liquefied form known by cooling and compression.
  • liquid organic hydrogen carriers which are also referred to as liquid organic hydrogen carriers (LOHC).
  • Aromatic compounds to which the hydrogen is chemically bound by means of hydrogenation are used in particular as hydrogen carriers.
  • the hydrogen can be extracted and subsequently the stored energy can be released again from the hydrogen.
  • the advantage of LOHC technology is the easy transport of the stored hydrogen, since the hydrogen is chemically bound in a non-volatile manner.
  • the hydrogen After the hydrogen has been dehydrated, it is in the gaseous state and can in turn be used for energy generation, in particular electrical energy generation.
  • the object of the invention is to show a hydrogen-steam power plant which has a high degree of efficiency in the recovery of electrical energy from hydrogen, which is free of environmentally harmful emissions and which can also be provided with little design effort and inexpensively.
  • a turbine power plant has a primary unit and a secondary unit.
  • the primary unit has one compressor, one combustion air line, one
  • Hydrogen pipe an injection water pipe, a combustion chamber, a primary exhaust pipe, an exhaust gas turbine and a primary generator.
  • Atmospheric air from the surroundings can be taken up and compressed by the compressor.
  • the volume of the atmospheric air thus reduced is then available as combustion air and can be introduced into the combustion chamber by means of the combustion air line, which connects the compressor and the combustion chamber to one another.
  • hydrogen is used as fuel by means of a
  • Hydrogen supply line can be introduced into the combustion chamber, so that the
  • Combustion air can be burned together with the hydrogen to form a primary exhaust gas.
  • an injection water can be injected into the combustion chamber by means of the injection water line. The injection water evaporates due to the high temperatures of the combustion process in the combustion chamber and thus forms an injection water vapor component of the primary exhaust gas.
  • Injection water vapor portion of the primary exhaust gas is tensioned water vapor, which can advantageously be subsequently expanded in the exhaust gas turbine and converted into mechanical kinetic energy. It is also advantageous that the necessary for the evaporation of the injection water
  • Evaporation heat is extracted from the primary exhaust gas and thus lowers the temperature of the primary exhaust gas.
  • the temperature of the primary exhaust gas can thus be adjusted before it is introduced into the exhaust gas turbine such that the
  • Exhaust gas turbine is not subjected to high thermal loads. It is in one
  • the primary exhaust gas can then be supplied to the exhaust gas turbine via a primary exhaust gas line connecting the combustion chamber and the exhaust gas turbine.
  • the primary exhaust gas has a high temperature and pressure.
  • the primary exhaust gas is then in the exhaust gas turbine to a secondary exhaust gas relaxable. In this process, a thermal energy of the primary exhaust gas can be converted into a first mechanical energy.
  • the exhaust gas turbine is a simple gas expansion turbine in which the pressurized primary exhaust gas relaxes and does mechanical work.
  • the exhaust gas turbine itself does not have a compressor or its own combustion chamber. Rather, the gas to be relaxed in the
  • the exhaust gas turbine is preferably coupled to the primary generator via a shaft, so that the first mechanical energy provided by the rotation of the exhaust gas turbine can be transmitted to the primary generator and can be converted by the primary generator into a first electrical energy.
  • the first electrical energy can subsequently be fed into the power grid or delivered to an electrical consumer.
  • the compressor is preferably also mechanically coupled to the assembly comprising the exhaust gas turbine and the primary generator and is thus driven by means of the exhaust gas turbine.
  • the compressor is preferably driven via the shaft of the exhaust gas turbine, which couples the primary generator.
  • the primary generator is particularly preferably designed such that it can be operated both in generator operation and in engine operation. Thus, in a start-up process, the primary generator can drive the compressor while supplying electrical energy and perform a first compression of the atmospheric air into combustion air. As soon as the combustion process has started and the exhaust gas turbine emits mechanical energy, the primary generator is switched from engine operation to generator operation.
  • the secondary unit of the hydrogen-steam power plant comprises a steam turbine cycle and a chemical one
  • the steam turbine cycle has a secondary exhaust line, a steam generator, a steam pressure line, a steam turbine, and one
  • the secondary exhaust pipe connects the exhaust turbine and the
  • the secondary exhaust gas available in the exhaust gas turbine after expansion which still has high temperatures and thus high thermal energy, can thus be fed to the steam generator and used there for evaporation.
  • a condensate water can be introduced into the steam generator and evaporated to a superheated steam by means of a transfer of the thermal energy of the secondary exhaust gas.
  • the condensate water is introduced into this by means of a condensate line which connects the condenser and the steam generator and is then evaporated in the steam generator.
  • the superheated steam can be fed to the steam turbine by means of a steam pressure line which connects the steam generator and the steam turbine. In this the superheated steam becomes one
  • Exhaust steam can be expanded, wherein a thermal energy of the superheated steam can be converted into a second mechanical energy by means of the steam turbine.
  • the steam turbine is also a gas expansion turbine in a construction known per se.
  • the second mechanical energy can now be transmitted mechanically, preferably via a shaft, to the secondary generator and converted by the latter into a second electrical energy.
  • the second electrical energy can then be delivered to any electrical consumer
  • the exhaust steam generated by the expansion within the steam turbine can be fed to the condenser via an exhaust steam line, which connects the steam turbine and the condenser, and can be converted into condensate water by this condensation.
  • Condensate water is introduced into the condensate line and fed to the steam generator so that the steam turbine cycle is closed.
  • the steam turbine cycle of the secondary unit thus forms a closed thermodynamic cycle.
  • the chemical hydrogen carrier unit has a hydrogen carrier tank, a dehydrator and a heat exchanger.
  • a hydrogenated hydrogen carrier can be accommodated in the hydrogen carrier tank, which according to the invention is a Liquid Organic Hydrogen Carrier (LOHC).
  • LOHC Liquid Organic Hydrogen Carrier
  • Aromatic compounds whose ability to absorb hydrogen are reversible can be used in particular as LOHC.
  • the LOHC used should have a liquid physical state in the entire relevant temperature range and should preferably be non-toxic.
  • the chemical hydrogen carrier unit is also referred to below as the LOHC unit and the processes taking place here are also referred to below as the LOHC process.
  • the hydrogenated hydrogen carrier can be fed to the dehydrator by means of a hydrogen carrier line which connects the hydrogen carrier tank to the dehydrator.
  • the thermal energy of the exhaust steam can be transferred from the heat exchanger to the dehydrator.
  • the heat exchanger therefore has a connection to that running between the steam turbine and the condenser
  • the hydrogenated hydrogen carrier is now in the dehydrator by splitting off the hydrogen into a dehydrated hydrogen carrier
  • the reaction preferably takes place with the participation of a
  • the provision of the hydrogenated hydrogen carrier for carrying out this process is not part of the device according to the invention.
  • the hydrogen carrier is hydrogenated again after the dehydrogenation and then returned to the hydrogen carrier tank, so that a closed circuit is created.
  • the dehydrated hydrogen carrier can be hydrogenated in an external device, so that the hydrogen carrier tank must then always be refilled with hydrogenated hydrogen carrier from an external source.
  • the present invention thus does not relate to the LOHC process in its
  • a hydrogen-steam power plant according to the invention is also present if, in addition to the aforementioned elements of the hydrogen-steam power plant, additional elements such as further exhaust gas or drainage channels or
  • the hydrogen-steam power plant according to the invention has the following advantages in particular.
  • Energy generation is usable within the secondary unit.
  • the efficiency can be significantly increased both in the primary unit and in the secondary unit by introducing injection water.
  • the heat of combustion is used by the evaporation of the injection water and an additional volume of expandable gas is made available.
  • a mass flow of hot gas is available in the secondary unit with the water vapor portion of the secondary exhaust gas, the specific heat capacity of water vapor also being significantly higher than the specific heat capacity of air.
  • the thermal energy of the secondary exhaust gas resulting from the combustion process in the combustion chamber and remaining after passing through the exhaust gas turbine can be used to evaporate the condensate water within the steam generator while reducing the heat loss.
  • the thermal energy of the secondary exhaust gas is preferably also sufficient for the complete evaporation of the condensate water, so that no additional burners or similar devices are required.
  • thermal energy can then also be coupled out from the secondary unit, in particular from the capacitor, and used, for example for heating purposes.
  • the combustion process involves only combustion air and hydrogen.
  • the secondary exhaust gas resulting from the combustion can thus be removed from the hydrogen-steam power plant without any problems and without filtering or separating devices.
  • Another advantage is the structurally simple and robust design, in that the combustion chamber is separate from the exhaust gas turbine and the exhaust gas turbine is designed as a simple gas expansion turbine with all the advantages resulting therefrom. This includes that the technical separation of the compressor, combustion chamber and exhaust gas turbine can result in a design simplification and cost savings compared to an integrated gas turbine.
  • the hydrogen stored by means of a hydrogen carrier can be replaced locally and efficiently for energy recovery. This eliminates the time-consuming and costly transport of the gaseous hydrogen after the dehydrogenation.
  • Hydrogen in a hydrogen carrier is a suitable alternative to balance generation peaks.
  • LOHC Low-term and efficient storage
  • the thermal energy dissipated by the condenser during the condensation can be transferred to a heating system.
  • the residual thermal energy generated in the secondary unit can also be used.
  • the primary unit has at least one alternative fuel feed line, which is connected to the combustion chamber and by means of which an alternative fuel can be introduced into the combustion chamber and combustible with the combustion air to the primary exhaust gas.
  • the at least one alternative fuel preferably any known alternative fuel, can be combined with the hydrogen that comes from the
  • Dehydrator obtained is used as fuel. Especially in the event that temporarily no hydrogen is provided for the
  • Combustion process can take place, it is provided as a further variant to continue the combustion exclusively by means of the alternative fuel in order to be able to maintain the supply of electrical energy and optionally thermal energy.
  • Any suitable fuels known from the prior art such as in particular natural gas, LPG or petroleum, can be used as alternative fuels. If necessary, additional facilities for enabling the switchover are to be provided in the case of such a multifunctional further training.
  • Hydrogen conduction can also be built in whole or in sections
  • the hydrogen-steam power plant also has an exhaust gas condenser. This is trained the Condensate water vapor portion of the secondary exhaust gas after it emerges from the steam generator to an exhaust gas condensate water.
  • the secondary exhaust gas can thus be predominantly or at least partially removed from the water contained therein in gaseous form before it is discharged into the environment.
  • the water vapor content of the secondary exhaust gas goes first to the evaporated injection water and second to water as a combustion product of hydrogen and oxygen from the
  • the exhaust gas condensation water can be fed to the injection water line and thus as injection water
  • a material cycle of water is thus formed in the hydrogen-steam power plant.
  • no or less water has to be added for the injection water.
  • the thermal energy which arises from the release of the heat of condensation of the water vapor when it is condensed becomes from a cooling circuit of the exhaust gas condenser
  • decoupled can either for the dehydrator, for other thermal auxiliary processes of the hydrogen-steam power plant or for external
  • Heat consumers such as district heating can be provided.
  • the hydrogen-steam power plant has an upstream distillation stage.
  • This upstream distillation stage is designed to evaporate and condense salt water, in particular sea water, so that the salinity is separated and a fresh water is obtained.
  • the fresh water is then introduced into the combustion chamber as injection water via the injection water line.
  • the thermal energy required for the operation of the upstream distillation stage specifically the heat of vaporization, is preferably taken from the primary unit or the secondary unit.
  • the hydrogen-steam power plant can have other means such as, in particular, heat exchangers.
  • Fig. 2 block diagram of the secondary unit explained in more detail.
  • Fig. 1 shows an embodiment of a hydrogen-steam power plant as a block diagram.
  • the hydrogen-steam power plant is divided into a primary unit 1 and a secondary unit 2, the primary unit 1 comprising a compressor 3, a combustion air line 4, a hydrogen line 5, a combustion chamber 6, a primary exhaust gas output 7, an exhaust gas turbine 8 and a primary generator 9 has.
  • the secondary unit 2 is composed of a steam turbine cycle 10 and a chemical hydrogen carrier unit 11, the
  • Steam turbine circuit 10 has a secondary exhaust line 12, a steam generator 13, a steam pressure line 14, a steam turbine 15, a secondary generator 16, an exhaust steam line 17, a condenser 18 and a condensate line 19.
  • the chemical hydrogen carrier unit 11 has one Hydrogen carrier tank 20, a dehydrator 21, a heat exchanger 22 and a hydrogen carrier line 23.
  • Atmospheric air can be taken up and compressed by the compressor 3 as ambient air with the oxygen required therein for the combustion.
  • the air is compressed from atmospheric pressure to about 3 bar and is then available as combustion air, which can be introduced into the combustion chamber 6 via the combustion air line 4.
  • hydrogen is by means of
  • Hydrogen line 5 can be introduced as fuel into the combustion chamber 6. Furthermore, an injection water can be introduced into the combustion chamber 6 via the injection water line 24.
  • the combustion air is now combustible into a primary exhaust gas by means of the hydrogen in the combustion chamber 6.
  • the injection water evaporates while absorbing heat from the combustion process.
  • the evaporation creates tensioned water vapor, which forms part of the exhaust gas.
  • the Brennkam mer 6 also has safety flaps in the present exemplary embodiment, which enable an independent closure in the presence of overpressure.
  • the primary exhaust gas can be fed to the exhaust gas turbine 8 by means of the primary exhaust gas line 7 and can be expanded there to convert a secondary exhaust gas by converting the thermal energy into a first mechanical energy.
  • the exhaust gas turbine 8 is mechanically connected to the shaft
  • Primary generator 9 coupled so that the first mechanical energy can be transmitted from the exhaust gas turbine 8 to the primary generator 9 and can be converted by the latter into a first electrical energy.
  • the first electrical energy can subsequently be fed into a power grid or can be supplied to an electrical consumer.
  • the secondary exhaust gas which has a temperature of approximately 600 to 800 ° C., preferably approximately 700 ° C., after exiting the exhaust gas turbine 8 can be fed to the steam generator 13 by means of the secondary exhaust line 12.
  • the entry of the secondary exhaust gas into the secondary exhaust line 12 also represents the transition of the working medium from the primary unit 1 into the
  • Secondary unit 2 represents.
  • a condensate water can be introduced into the steam generator 13.
  • the condensate water is passed in a closed pipe, the condensate line 19, meandering through the interior of the steam generator and can be evaporated to a superheated steam by transferring the thermal energy of the secondary exhaust gas.
  • an outlet opening is also provided at the upper end of the steam generator 13, through which the secondary exhaust gas can subsequently exit.
  • the resulting superheated steam is supplied to the steam turbine 15 in a steam pressure line 14.
  • the superheated steam can be expanded into an exhaust steam by converting its thermal energy into a second mechanical energy.
  • the second mechanical energy is after that
  • Secondary generator 16 can be transmitted and converted into a second electrical energy.
  • the generated second electrical energy can be transmitted and converted into a second electrical energy.
  • the exhaust steam emitted by the steam turbine 15 can be supplied to the condenser 18 via the exhaust steam line 17 and can be converted by this to a condensate water by condensation, which can then be conducted into the condensate line 19 and thus in turn can be supplied to the steam generator 13.
  • the steam turbine cycle 10 of the secondary unit 2 thus forms a closed thermodynamic cycle in its entirety.
  • the thermal energy dissipated from the capacitor 18 during the condensation process becomes Operating a heating system. From the heating system, cooled water can also be introduced into the condenser 18 via a return line and from there can be introduced together with the condensate water into the steam generator 13.
  • the chemical hydrogen carrier unit 11 is a further component of the secondary unit 2.
  • a hydrogenated hydrogen carrier which is present as an LOHC according to the invention, can be accommodated in the hydrogen carrier tank 20.
  • the main requirements for the LOHC are that it enables reversible hydrogen uptake and release and that it is relevant overall
  • Temperature range has a liquid physical state. Some aromatic compounds have proven to be particularly suitable for this purpose.
  • the hydrogenated hydrogen carrier can be fed to the dehydrator 21 by means of the hydrogen carrier line 23.
  • the hydrogen carrier line 23 first leads into the heat exchanger 22, from which a thermal energy of the exhaust steam can be transferred to the hydrogen carrier.
  • the heat exchanger 22 therefore has a closable connection to the exhaust steam line 17.
  • the still liquid hydrogen carrier has a temperature of about 250 to 400 ° C, preferably of about 320 ° C.
  • the embodiment for this is the injection water line 24 to the
  • Injection water can be used again. A cycle of evaporation of the injection water, guidance of the water vapor content in the exhaust gas, condensation and recycling of the liquid water for re-injection is thus formed. At a connection point 26, depending on the process state, either excess exhaust gas condensate water can be removed from the circuit or the required injection water can be supplied.
  • Fig. 2 shows an enlarged view of the secondary unit 2 for spatial

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Wasserstoff-Dampf-Kraft-Werk mit einer Primäreinheit (1) und einer Sekundäreinheit (2). Die die Primäreinheit (1) weist einen Verdichter (3), eine Verbrennungsluftleitung (4), eine Wasserstoffleitung (5), eine Injektionswasserleitung (24), eine Brennkammer (6), eine primäre Abgasleitung (7), eine Abgasturbine (8) sowie einen Primärgenerator (9) auf. Die die Sekundäreinheit (2) einen Dampfturbinenkreislauf (10) und eine chemische Wasserstoffträgereinheit (11) auf. Die die chemische Wasserstoffträgereinheit (11) weist einen Wasserstoffträgertank (20), einen Dehydrator (21) sowie einen Wärmeübertrager (22) aufweist, wobei in dem Wasserstoffträgertank (20) ein hydrierter Wasserstoffträger aufnehmbar ist, wobei mittels einer Wasserstoffträgerleitung (23), welche den Wasserstoffträgertank (20) mit dem Dehydrator (21) verbindet, der hydrierte Wasserstoffträger dem Dehydrator (21) zuführbar ist, wobei mittels des Wärmeübertragers (22) eine thermische Energie des Abdampfes an den Dehydrator (21) übertragbar ist, wobei mittels der thermischen Energie das Abdampfes in dem Dehydrator (21) unter einer Abgabe des Wasserstoffs der hydrierte Wasserstoffträger in einen dehydrierten Wasserstoffträger umwandelbar ist und wobei mittels der Wasserstoffleitung (5), welche den Dehydrator (21) mit der Brennkammer (6) verbindet, der Wasserstoff der Brennkammer (6) zuführbar ist. Ferner ist nach einer Weiterbildung ein Wasserdampfanteil des Abgas kondensierbar und als Injektionswasser in die Injektionswasserleitung (24) einführbar.

Description

Wasserstoff-Dampf-Kraft-Werk Die Erfindung betrifft ein Wasserstoff-Dampf-Kraft-Werk (H2DKW) zur
Bereitstellung von elektrischer Energie sowie optional zur Bereitstellung von thermischer Energie, Kondensatwasser und auskristallisierten festen Salzen.
Bei der Gewinnung erneuerbarer Energie wie Solarenergie und Windenergie besteht die Problematik, dass die bereitgestellte Energiemenge meist von dem aktuellen Bedarf abweicht. Da effiziente Speichertechnologien noch nicht in ausreichendem Maße zur Verfügung stehen, besteht häufig die Notwendigkeit, die Solar- und Windkraftanlagen bei einer Übererfüllung des Energiebedarfs
vorübergehend abzuschalten.
Zur Überwindung dieses Problems ist es aus dem Stand der Technik bekannt, die temporär überschüssige Energie zur Herstellung von Wasserstoff unter Anwendung der Wasserelektrolyse zu nutzen. Somit können die Erzeugungsspitzen von Wind- und Solarenergie chemisch zwischengespeichert werden um diese in Zeiten erhöhten Elektroenergiebedarfs in elektrische Energie zurück umzuwandeln.
Hierbei besteht jedoch das Problem der effizienten Speicherung des Wasserstoffs. Hierzu ist insbesondere die als Druckgasspeicherung bezeichnete Speicherung in Druckbehältern durch Verdichten des Wasserstoffs sowie die als
Flüssiggasspeicherung bezeichnete Speicherung in verflüssigter Form durch Kühlung und Verdichten bekannt.
Eine weitere Variante stellt die Speicherung unter Verwendung von flüssigen organischen Wasserstoffträgern dar, welche auch als Liquid Organic Hydrogen Carrier (LOHC) bezeichnet werden. Als Wasserstoffträger kommen insbesondere aromatische Verbindungen zur Anwendung, an welche der Wasserstoff mittels einer Hydrierung chemisch gebunden wird. Mittels einer Dehydrierung des
BESTATIGUNGSKOPIE Wasserstoffträgers kann der Wasserstoff wieder herausgelöst und nachfolgend aus dem Wasserstoff in ihm die gespeicherte Energie erneut freigesetzt werden. Vorteil der LOHC-Technologie ist neben einer langfristigen Speicherung zudem der einfache Transport des gespeicherten Wasserstoffs, da der Wasserstoff unflüchtig chemisch gebunden ist.
Nach der Dehydrierung des Wasserstoffs liegt dieser in gasförmigem Zustand vor und kann wiederum zur Energiegewinnung, insbesondere Elektroenergiegewinnung verwendet werden.
Zur Rückgewinnung elektrischer Energie aus dem Wasserstoff sind aus dem Stand der Technik verschiedenartige Lösungsansätze bekannt. Diesbezüglich werden insbesondere Brennstoffzellen genutzt, wobei die Energiegewinnung auf einer Reaktion von Sauerstoff und gasförmigem Wasserstoff basiert. Die elektrische Energie kann anschließend beispielsweise den Elektroantrieb eines Fahrzeugs speisen. Ein Nachteil von Brennstoffzellen ist jedoch deren vergleichsweise geringer Wirkungsgrad wodurch zugleich der Gesamtwirkungsgrad der
Energiespeicherung in Verbindung mit einem LOHC-Prozess gering ist.
Die Aufgabe der Erfindung ist es, ein Wasserstoff-Dampf-Kraft-Werk aufzuzeigen, welches einen hohen Wirkungsgrad bei der Rückgewinnung elektrischer Energie aus Wasserstoff aufweist, welches frei von umweltbelastenden Emissionen ist und welches zudem mit geringem konstruktiven Aufwand sowie kostengünstig bereitstellbar ist.
Die Aufgabe wird durch die im Patentanspruch 1 aufgeführten Merkmale gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Ein erfindungsgemäßes Turbinenkraftwerk weist eine Primäreinheit sowie eine Sekundäreinheit auf. Die Primäreinheit weist einen Verdichter, eine Verbrennungsluftleitung, eine
Wasserstoffleitung, eine Injektionswasserleitung, eine Brennkammer, eine primäre Abgasleitung, eine Abgasturbine sowie einen Primärgenerator auf.
Von dem Verdichter ist atmosphärische Luft aus der Umgebung aufnehmbar und komprimierbar. Die somit in ihrem Volumen verringerte atmosphärische Luft liegt anschließend als Verbrennungsluft vor und ist mittels der Verbrennungsluftleitung, welche den Verdichter sowie die Brennkammer miteinander verbindet, in die Brennkammer einleitbar. Daneben ist Wasserstoff als Brennstoff mittels einer
Wasserstoffzuleitung in die Brennkammer einbringbar, so dass dort die
Verbrennungsluft gemeinsam mit dem Wasserstoff zu einem primären Abgas verbrennbar ist. Ferner ist mittels der Injektionswasserleitung ein Injektionswasser in die Brennkammer einspritzbar. Das Injektionswasser verdampft durch die hohen Temperaturen des Verbrennungsvorgangs in der Brennkammer und bildet so einen Injektionswasserdampfanteil des primären Abgases. Bei dem
Injektionswasserdampfanteil des primären Abgases handelt es sich um gespannten Wasserdampf, der vorteilhaft nachfolgend in der Abgasturbine entspannt und in mechanische Bewegungsenergie umgeformt werden kann. Vorteilhaft ist zudem, dass die für die Verdampfung des Injektionswassers erforderliche
Verdampfungswärme dem primären Abgas entzogen wird und so die Temperatur des primären Abgases senkt. Damit kann die Temperatur des primären Abgases vor dessen Einleitung in die Abgasturbine so eingestellt werden, dass die
Abgasturbine nicht zu hoch thermisch belastet wird. Dabei ist es in einer
Weiterbildung auch möglich, das Injektionswasser nicht direkt in den
Flammenbereich, sondern in eine Nebenkammer oder Mantelkammer der
Brennkammer einzubringen, so dass der Verbrennungsprozess nicht beeinträchtigt, aber trotzdem Wärmeenergie zur Verdampfung aufgenommen wird.
Das primäre Abgas kann dann über eine, die Brennkammer und die Abgasturbine verbindende, primäre Abgasleitung der Abgasturbine zugeführt werden. Das primäre Abgas weist eine hohe Temperatur und einen hohen Druck auf. Das primäre Abgas ist anschließend in der Abgasturbine zu einem sekundären Abgas entspannbar. Bei diesem Prozess ist eine thermische Energie des primären Abgases in eine erste mechanische Energie umwandelbar. Bei der Abgasturbine handelt es sich um eine einfache Gasexpansionsturbine, in der das unter Druck stehende primäre Abgas entspannt und mechanische Arbeit verrichtet. Die
Abgasturbine selbst verfügt also weder über einen Verdichter noch über eine eigene Brennkammer. Vielmehr wird das zu entspannende Gas in der
vorgeschalteten Brennkammer erzeugt.
Die Abgasturbine ist vorzugsweise über eine Welle mit dem Primärgenerator gekoppelt, so dass die durch die Rotation der Abgasturbine bereitgestellte erste mechanische Energie an den Primärgenerator übertragbar ist und von diesem in eine erste elektrische Energie umwandelbar ist. Die erste elektrische Energie kann nachfolgend in das Stromnetz eingespeist oder an einen elektrischen Verbraucher abgegeben werden.
Vorzugsweise wird der Verdichter ebenfalls mechanisch an die Baugruppe aus Abgasturbine und Primärgenerator gekoppelt und somit mittels der Abgasturbine angetrieben. Hierbei ist der Verdichter bevorzugt über die Welle der Abgasturbine, die den Primärgenerator ankoppelt, angetrieben. Besonders bevorzugt ist der Primärgenerator so ausgebildet, dass er sowohl im Generatorbetrieb als auch im Motorbetrieb betrieben werden kann. Somit kann in einem Anlaufprozess der Primärgenerator im Motorbetrieb unter Zuführung von elektrischer Energie den Verdichter antreiben und eine erste Verdichtung der atmosphärischen Luft zu Verbrennungsluft durchführen. Sobald der Verbrennungsprozess angelaufen ist und die Abgasturbine mechanische Energie abgibt, wird der Primärgenerator vom Motorbetrieb in den Generatorbetrieb umgeschaltet.
Erfindungsgemäß umfasst die Sekundäreinheit des Wasserstoff-Dampf-Kraft- Werks einen Dampfturbinenkreislauf sowie eine chemische
Wasserstoffträgereinheit. Der Dampfturbinenkreislauf weist vorliegend eine sekundäre Abgasleitung, einen Dampferzeuger, eine Dampfdruckleitung, eine Dampfturbine, einen
Sekundärgenerator, eine Abdampfleitung, einen Kondensator sowie eine
Kondensatleitung auf.
Die sekundäre Abgasleitung verbindet hierbei die Abgasturbine und den
Dampferzeuger, so dass die sekundäre Abgasleitung zugleich die
Verbindungsstelle der Sekundäreinheit zu der Primäreinheit darstellt. Das nach der Entspannung in der Abgasturbine verfügbare sekundäre Abgas, welches noch hohe Termperaturen und somit eine hohe thermische Energie aufweist, kann somit dem Dampferzeuger zugeführt werden und dort zur Verdampfung genutzt werden. In den Dampferzeuger ist zu diesem Zweck ein Kondensatwasser einleitbar und mittels einer Übertragung der thermischen Energie des sekundären Abgases zu einem Heißdampf verdampfbar. Das Kondensatwasser wird dabei mittels einer Kondensatleitung, die den Kondensator und den Dampferzeuger verbindet, in diesen eingebracht und dann im Dampferzeuger verdampft.
Nach dem Phasenübergang aus dem Kondensatwasser ist der Heißdampf mittels einer Dampfdruckleitung, welche den Dampferzeuger und die Dampfturbine verbindet, der Dampfturbine zuführbar. In dieser ist der Heißdampf zu einem
Abdampf entspannbar, wobei eine thermische Energie des Heißdampfes mittels der Dampfturbine in eine zweite mechanische Energie umwandelbar ist. Auch bei der Dampfturbine handelt es sich um eine Gasexpansionsturbine in an sich bekanntem Aufbau.
Die zweite mechanische Energie kann nun mechanisch, vorzugsweise über eine Welle, an den Sekundärgenerator übertragen werden und von diesem in eine zweite elektrische Energie umgewandelt werden. Anschließend kann die zweite elektrische Energie an einen beliebigen elektrischen Verbraucher abgegeben werden
oder in das Stromnetz eingespeist werden. Der durch die Entspannung innerhalb der Dampfturbine anfallende Abdampf ist über eine Abdampfleitung, welche die Dampfturbine und den Kondensator verbindet, dem Kondensator zuführbar und von diesem mittels einer Kondensation zu Kondensatwasser umbildbar. Die aus diesem Phasenübergang
hervorgegangene thermische Energie wird aus dem Kondensator in an sich bekannter Weise ausgeleitet und kann anschließend zur weiteren Nutzung vorgesehen werden, beispielsweise für Heizzwecke. Zugleich wird das
Kondensatwasser in die Kondensatleitung eingeführt und dem Dampferzeuger zugleitet, so dass der Dampfturbinenkreislauf geschlossen ist.
Der Dampfturbinenkreislauf der Sekundäreinheit bildet somit einen geschlossenen thermodynamischen Kreisprozess.
Die chemische Wasserstoffträgereinheit weist einen Wasserstoffträgertank, einen Dehydrator sowie einen Wärmeübertrager auf. In dem Wasserstoffträgertank ist ein hydrierter Wasserstoffträger aufnehmbar, wobei es sich erfindungsgemäß um einen Liquid Organic Hydrogen Carrier (LOHC) handelt. Als LOHC sind insbesondere aromatische Verbindungen nutzbar, deren Fähigkeit zur Wasserstoffaufnahme umkehrbar ist. Zudem sollte der verwendete LOHC im gesamten relevanten Temperaturbereich einen flüssigen Aggregatzustand aufweisen und vorzugsweise ungiftig sein. Die chemische Wasserstoffträgereinheit wird nachfolgend auch als LOHC-Einheit und die hier ablaufenden Prozesse werden nachfolgend auch als LOHC-Prozess bezeichnet.
Mittels einer Wasserstoffträgerleitung, welche den Wasserstoffträgertank mit dem Dehydrator verbindet, ist der hydrierte Wasserstoffträger dem Dehydrator zuführbar. Von dem Wärmeübertrager ist die thermische Energie des Abdampfes an den Dehydrator übertragbar. Der Wärmeübertrager weist daher eine Verbindung zu der zwischen der Dampfturbine und dem Kondensator verlaufenden
Abdampfleitung auf. Die Übertragung der thermischen Energie aus dem Abdampf an den hydrierten Wasserstoffträger kann konstruktiv unterschiedlich umgesetzt werden und auch innerhalb des Wärmeübertragers erfolgen, sofern die Wasserstoffträgerleitung den Wärmeübertrager durchläuft. Anderenfalls wird die thermische Energie von dem Wärmeübertrager an den Dehydrator bereitgestellt.
In dem Dehydrator ist nun in einer endothermen Reaktion, unter Nutzung der thermischen Energie aus dem Abdampf, der hydrierte Wasserstoffträger durch eine Abspaltung des Wasserstoffs in einen dehydrierten Wasserstoffträger
umwandelbar. Die Reaktion findet vorzugsweise unter Beteiligung eines
Katalysators statt.
Die Bereitstellung des hydrierten Wasserstoffträgers zur Durchführung dieses Vorgangs ist kein Bestandteil der erfindungsgemäßen Vorrichtung. Zum einen besteht diesbezüglich die Möglichkeit, dass der Wasserstoffträger im Anschluss an die Dehydrierung erneut hydriert wird und dann in den Wasserstoffträgertank zurückgeführt wird, so dass ein geschlossener Kreislauf geschaffen wird. Zum anderen kann der dehydrierte Wasserstoffträger in einer externen Vorrichtung hydriert werden, so dass der Wasserstoffträgertank dann stets mit hydriertem Wasserstoffträger aus einer externen Quelle nachzufüllen ist.
Die vorliegende Erfindung betrifft somit nicht den LOHC-Prozess in seiner
Gesamtheit, sondern betrifft eine Lösung für den Abschnitt der
Energierückgewinnung aus dem hydrierten chemischen Wasserstoffträger und zeigt hierfür eine besonders effiziente Vorrichtung auf.
Nach der Abspaltung des Wasserstoffs im Dehydrator liegt dieser im gasförmigen Zustand vor und ist erfindungsgemäß mittels der Wasserstoffleitung, welche den Dehydrator mit der Brennkammer verbindet, der Brennkammer zuführbar. Der Was serstoff kann somit als Brennstoff genutzt werden und ist gemeinsam mit der Verbrennungsluft zu dem primären Abgas verbrennbar. Ein erfindungsgemäßes Wasserstoff-Dampf-Kraft-Werk liegt auch dann vor, wenn neben den zuvor genannten Elementen des Wasserstoff-Dampf-Kraft-Werks zusätzliche Elemente wie weitere Abgas- oder Entwässerungskanäle oder
Einrichtungen zur Prozessüberwachung und -Steuerung vorgesehen werden.
Das erfindungsgemäße Wasserstoff-Dampf-Kraft-Werk weist insbesondere die nachfolgenden Vorteile auf.
Ein wesentlicher Vorteil besteht darin, dass die bei der Energiegewinnung innerhalb der Primäreinheit anfallende thermische Energie nachfolgend für die
Energiegewinnung innerhalb der Sekundäreinheit nutzbar ist.
Dabei ist es besonders vorteilhaft, dass durch die Einbringung von Injektionswasser der Wirkungsgrad sowohl in der Primäreinheit als auch in der Sekundäreinheit deutlich erhöht werden kann. In der Primäreinheit wird durch die Verdampfung des Injektionswasser die Verbrennungswärme genutzt und ein zusätzliches Volumen entspannbaren Gases zur Verfügung gestellt. In der Sekundäreinheit steht mit dem Wasserdampfanteil des sekundären Abgases ein Massenstrom heißen Gases zur Verfügung, wobei zudem die spezifische Wärmekapazität von Wasserdampf wesentlich höher ist als die spezifische Wärmekapazität von Luft.
Dabei kann die aus dem Verbrennungsvorgang in der Brennkammer resultierende und nach Durchlaufen der Abgasturbine verbleibende thermische Energie des sekundären Abgases unter Reduzierung der Verlustwärme für die Verdampfung des Kondensatwassers innerhalb des Dampferzeugers genutzt werden.
Vorzugsweise ist die thermische Energie des sekundären Abgases zudem für die vollständige Verdampfung des Kondensatwassers ausreichend, so dass keine zusätzlichen Brenner oder ähnliche Vorrichtungen benötigt werden.
Ferner wird die aus dem Verbrennungsvorgang in der Brennkammer resultierende und nach Durchlaufen der Abgasturbine sowie nach Durchlaufen der Dampfturbine noch verbleibende thermische Energie des sekundären Abgases für den
endothermen Prozess der Dehydrierung des chemischen Wasserstoffträgers genutzt. Vorteilhaft ist es ferner, dass auch dann noch thermische Energie aus der Sekundäreinheit, insbesondere aus dem Kondensator, ausgekoppelt werden und genutzt werden kann, beispielsweise für Heizzwecke.
Ein weiterer Vorteil ist es, dass das erfindungsgemäße Wasserstoff-Dampf-Kraft- Werk keine umweltbelastenden Emissionen verursacht, da an dem
Verbrennungsvorgang lediglich Verbrennungsluft sowie Wasserstoff beteiligt sind. Das aus der Verbrennung resultierende sekundäre Abgas kann somit problemlos und ohne Filter- oder Abscheidevorrichtungen aus dem Wasserstoff-Dampf-Kraft- Werk abgeführt werden.
Ein anderer Vorteil besteht in der konstruktiv einfachen und robusten Ausführung, indem die Brennkammer getrennt von der Abgasturbine ist und die Abgasturbine als einfache Gasexpansionsturbine mit allen darauf resultierenden Vorteilen ausgebildet ist. Dies schließt ein, dass durch die gerätetechnische Trennung von Verdichter, Brennkammer und Abgasturbine eine konstruktive Vereinfachung sowie eine Kosteneinsparung gegenüber einer integrierten Gasturbine geschaffen werden kann.
Des Weiteren ist es von Vorteil, dass der mittels eines Wasserstoffträgers gespeicherte Wasserstoff lokal und effizient zur Energierückgewinnung ersetzbar ist. Somit entfällt der aufwendige und kosten intensive Transport des nach der Dehydrierung gasförmigen Wasserstoffs.
Zudem kann gegenüber anderen Varianten zur Rückgewinnung von elektrischer Energie aus Wasserstoff, wie insbesondere Brennstoffzellen, ein höherer
Wirkungsgrad erzielt werden
Da elektrische Energie aus regenerativen Energiequellen wie Solar- und
Windkraftanlagen nicht zu jedem Zeitpunkt bedarfsgerecht bereitstellbar ist, stellt die Herstellung von Wasserstoff und die anschließende Speicherung des
Wasserstoffs in einem Wasserstoffträger eine geeignete Alternative zum Ausgleich von Erzeugungsspitzen dar. Bei der erfindungsgemäß vorgesehenen Verwendung von LOHC kann zudem eine langfristige und effiziente Speicherung ermöglicht werden.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung ist die von dem Kondensator während der Kondensation abgeführte thermische Energie an eine Heizanlage übertragbar. Somit ist auch die in der Sekundäreinheit anfallende restliche thermische Energie weiterverwendbar. Zudem besteht damit die Möglichkeit, eine vorhandene
Heizanlage für den Betrieb des Kondensators als Wärmesenke zu nutzen.
Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung weist die Primäreinheit zumindest eine Alternativbrennstoffzuleitung auf, die mit der Brennkammer verbunden ist und mittels welcher ein Alternativbrennstoff in die Brennkammer einleitbar und mit der Verbrennungsluft zu dem primären Abgas verbrennbar ist.
Der zumindest eine Alternativbrennstoff, vorzugsweise ein beliebiger bekannter Alternativbrennstoff, kann gemeinsam mit dem Wasserstoff, der aus dem
Dehydrator gewonnen wird, als Brennstoff genutzt werden. Insbesondere für den Fall, dass vorübergehend keine Bereitstellung von Wasserstoff für den
Verbrennungsvorgang erfolgen kann, ist es als weitere Variante vorgesehen, die Verbrennung ausschließlich mittels des Alternativbrennstoffs fortzuführen um die Bereitstellung der elektrischen Energie und optional von thermischer Energie aufrechterhalten zu können. Als Alternativbrennstoffe können beliebige geeignete aus dem Stand der Technik bekannte Brennstoffe wie insbesondere Erdgas, Autogas oder Erdöl genutzt werden. Gegebenenfalls sind bei einer solchen multifuelfähigen Weiterbildung ergänzende Einrichtungen für die Ermöglichung der Umschaltung vorzusehen. Die Alternativbrennstoffzuleitung und die
Wasserstoffleitung können ganz oder abschnittsweise baulich auch
zusammengeführt sowie auch als einheitliche Leitung ausgeführt sein.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung weist das Wasserstoff-Dampf- Kraft-Werk zudem einen Abgaskondensator auf. Dieser ist ausgebildet, den Wasserdampfanteil des sekundären Abgases nach dessen Austritt aus dem Dampferzeuger zu einem Abgaskondensatwasser zu kondensieren.
Dem sekundären Abgas kann somit vor dessen Auslass in die Umgebung überwiegend oder zumindest teilweise das darin gasförmig enthaltende Wasser entzogen werden. Der Wasserdampfanteil des sekundären Abgases geht zum ersten auf das verdampfte Injektionswasser und zum zweiten auf Wasser als Verbrennungsprodukt aus Wasserstoff und Sauerstoff aus dem
Verbrennungsprozess in der Brennkammer zurück.
Ein erster Vorteil dieser Weiterbildung besteht darin, unerwünschte
Wasserdampfeinträge in die Umgebung eines solchen Wasserstoff-Dampf-Kraft- Werks zu vermeiden, die ein lokales Mikroklima verändern können. Ein weiterer Vorteil ist es, dass das Abgaskondensatwasser als Wasserressource zu Verfügung steht, was insbesondere Trinkwasserressourcen schonen kann.
In einer weiterführenden Weiterbildung kann das Abgaskondensationswasser der Injektionswasserleitung zugeführt werden und so als Injektionswasser zur
Verfügung stehen. Somit wird ein Stoffkreislauf des Wassers in dem Wasserstoff- Dampf-Kraft-Werk ausgebildet. Vorteilhaft muss so kein oder weniger Wasser für das Injektionswasser zugeführt werden.
In einer weiteren weiterführenden Weiterbildung wird die thermische Energie, die durch die Freisetzung der Kondensationswärme des Wasserdampf bei dessen Kondensierung anfällt, aus einem Kühlkreislauf des Abgaskondensators
ausgekoppelt und kann entweder für den Dehydrator, für andere thermische Hilfsprozesse des Wasserstoff-Dampf-Kraft-Werks oder für externe
Wärmeabnehmer wie eine Fernheizung zur Verfügung gestellt werden.
Gemäß einer besonderen Weiterbildung weist das Wasserstoff-Dampf-Kraft-Werk eine Vorschalt-Destillationsstufe auf. Diese Vorschalt-Destillationsstufe ist ausgebildet, Salzwasser, wie insbesondere Meereswasser zu verdampfen und wieder zu kondensieren, so dass der Salzgehalt abgeschieden und ein Süßwasser erhalten wird. Das Süßwasser wird dann über die Injektionswasserleitung als Injektionswasser in die Brennkammer eingeleitet. Die für den Betrieb der Vorschalt- Destillationsstufe benötigte Wärmeenergie, konkret die Verdampfungswärme, wird dabei bevorzugt aus der Primäreinheit oder der Sekundäreinheit entnommen.
Hierzu kann das Wasserstoff-Dampf-Kraft-Werk weitere Mittel wie insbesondere Wärmetauscher aufweisen.
In Verbindung mit dem Abgaskondensator kann in dem Gesamtprozess somit Süßwasser gewonnen werden, wobei die benötigte Energie letztlich aus der ohnehin entstehenden Verbrennungswärme mittelbar ausgekoppelt wird.
Die Erfindung wird als Ausführungsbeispiel anhand von
Fig. 1 Blockschaltbild des Wasserstoff-Dampf-Kraft-Werks,
Fig. 2 Blockschaltbild der Sekundäreinheit näher erläutert.
Fig. 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Wasserstoff-Dampf-Kraft-Werks als Blockschaltbild. Das Wasserstoff-Dampf-Kraft-Werk ist in eine Primäreinheit 1 sowie eine Sekundäreinheit 2 unterteilt, wobei die Primäreinheit 1 einen Verdichter 3, eine Verbrennungsluftleitung 4, eine Wasserstoffleitung 5, eine Brennkammer 6, eine primäre Abgasleistung 7, eine Abgasturbine 8 sowie einen Primärgenerator 9 aufweist.
Die Sekundäreinheit 2 setzt sich aus einem Dampfturbinenkreislauf 10 und einer chemischen Wasserstoffträgereinheit 11 zusammen, wobei der
Dampfturbinenkreislauf 10 eine sekundäre Abgasleitung 12, einen Dampferzeuger 13, eine Dampfdruckleitung 14, eine Dampfturbine 15, einen Sekundärgenerator 16, eine Abdampfleitung 17, einen Kondensator 18 sowie eine Kondensatleitung 19 aufweist. Die chemische Wasserstoffträgereinheit 11 weist einen Wasserstoffträgertank 20, einen Dehydrator 21 , einen Wärmeübertrager 22 sowie eine Wasserstoffträgerleitung 23 auf.
Von dem Verdichter 3 ist atmosphärische Luft als Umgebungsluft mit dem darin für die Verbrennung benötigten Sauerstoff aufnehmbar und komprimierbar. Die Luft wird dabei von atmosphärischem Druck auf etwa 3 bar verdichtet und liegt im Anschluss als Verbrennungsluft vor, welche über die Verbrennungsluftleitung 4 in die Brennkammer 6 einleitbar ist. Daneben ist Wasserstoff mittels der
Wasserstoffleitung 5 als Brennstoff in die Brennkammer 6 einbringbar. Ferner ist über die Injektionswasserleitung 24 ein Injektionswasser in die Brennkammer 6 einbringbar.
Die Verbrennungsluft ist nun mittels des Wasserstoffs in der Brennkammer 6 zu einem primären Abgas verbrennbar. Zugleich verdampft das Injektionswasser unter Wärmeaufnahme aus dem Verbrennungsprozess. Durch die Verdampfung entsteht gespannter Wasserdampf, welcher einen Anteil des Abgases bildet. Die Brennkam mer 6 weist im vorliegenden Ausführungsbeispiel zudem Sicherheitsklappen auf, welche einen selbstständigen Verschluss bei Vorliegen eines Überdrucks ermöglichen. Nach der Verbrennung sowie der Injektionswasserverdampfung ist das primäre Abgas mittels der primären Abgasleitung 7 der Abgasturbine 8 zuführbar und dort unter Umwandlung der thermischen Energie in eine erste mechanische Energie zu einem sekundären Abgas entspannbar.
Vorliegend ist die Abgasturbine 8 über eine Welle mechanisch mit dem
Primärgenerator 9 gekoppelt, so dass die erste mechanische Energie von der Abgasturbine 8 an den Primärgenerator 9 übertragbar ist und von diesem in eine erste elektrische Energie umwandelbar ist. Die erste elektrische Energie ist nachfolgend in ein Stromnetz einspeisbar oder an einen elektrischen Verbraucher abgebbar.
Das sekundäre Abgas, welches nach dem Austritt aus der Abgasturbine 8 eine Temperatur von etwa 600 bis 800°C, vorzugsweise von etwa 700°C, aufweist, ist mitels der sekundären Abgasleitung 12 dem Dampferzeuger 13 zuführbar. Der Eintrit des sekundären Abgases in die sekundäre Abgasleitung 12 stellt hierbei zugleich den Übergang des Arbeitsmediums von der Primäreinheit 1 in die
Sekundäreinheit 2 dar.
Neben dem sekundären Abgas ist ein Kondensatwasser in den Dampferzeuger 13 einleitbar. Das Kondensatwasser wird in einer geschlossenen Rohrleitung, der Kon densatleitung 19, mäanderförmig durch den Innenraum des Dampferzeugers geleitet und ist dabei durch eine Übertragung der thermischen Energie des sekundären Abgases zu einem Heißdampf verdampfbar. Vorliegend ist am oberen Ende des Dampferzeugers 13 zudem eine Auslassöffnung vorgesehen, über welche das sekundäre Abgas anschließend austreten kann.
Der entstandene Heißdampf wird hingegen in einer Dampfdruckleitung 14 der Dampfturbine 15 zugeführt. Dort ist der Heißdampf unter Umwandlung dessen thermischer Energie in eine zweite mechanische Energie zu einem Abdampf entspannbar. Die zweite mechanische Energie ist anschließend an den
Sekundärgenerator 16 übertragbar und von diesem in eine zweite elektrische Energie umwandelbar. Die generierte zweite elektrische Energie kann
beispielsweise in ein Stromnetz eingespeist werden oder einem elektrischen Verbraucher bereitgestellt werden.
Der von der Dampfturbine 15 abgegebene Abdampf ist über die Abdampfleitung 17 dem Kondensator 18 zuführbar und von diesem durch eine Kondensation zu einem Kondensatwasser umbildbar, welches anschließend in die Kondensatleitung 19 ein leitbar und somit wiederum dem Dampferzeuger 13 zuführbar ist.
Der Dampfturbinenkreislauf 10 der Sekundäreinheit 2 bildet somit in seiner Gesamtheit einen geschlossenen thermodynamischen Kreisprozess aus.
Die aus dem Kondensator 18 während des Kondensationsvorgangs abgeführte thermische Energie wird gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel zum Betreiben einer Heizanlage genutzt. Von der Heizanlage ist zudem über eine rückführende Leitung gekühltes Wasser in den Kondensator 18 einleitbar und von dort gemeinsam mit dem Kondensatwasser in den Dampferzeuger 13 einleitbar.
Neben dem Dampfturbinenkreislauf 10 ist die chemische Wasserstoffträgereinheit 11 ein weiterer Bestandteil der Sekundäreinheit 2.
In dem Wasserstoffträgertank 20 ist ein hydrierter Wasserstoffträger aufnehmbar, welcher erfindungsgemäß als ein LOHC vorliegt. Die wesentlichen Anforderungen an den LOHC bestehen darin, dass dieser eine reversible Wasserstoffaufnahme und -abgabe ermöglicht und dass dieser im gesamten relevanten
Temperaturbereich einen flüssigen Aggregatzustand aufweist. Als geeignet erweisen sich hierzu insbesondere einige aromatische Verbindungen.
Der hydrierte Wasserstoffträger ist mittels der Wasserstoffträgerleitung 23 dem Dehydrator 21 zuführbar. Gemäß der hier gewählten Ausführungsform führt die Wasserstoffträgerleitung 23 zunächst in den Wärmeübertrager 22, von welchem eine thermische Energie des Abdampfes auf den Wasserstoffträger übertragbar ist. Der Wärmeübertrager 22 weist daher hierbei eine verschließbare Verbindung zu der Abdampfleitung 17 auf. Daraufhin weist der weiterhin flüssige Wasserstoffträger eine Temperatur von etwa 250 bis 400°C, vorzugsweise von etwa 320°C, auf.
Mittels der in den Wasserstoffträger eingetragenen thermischen Energie kann dieser nun in dem Dehydrator durch Abspaltung des Wasserstoffs dehydriert werden. Die endotherm stattfindende Dehydrierung des Wasserstoffträgers findet dabei unter Beteiligung eines Katalysators statt. Im Anschluss daran liegt der abgespaltene Wasserstoff in gasförmigem Zustand vor und kann mittels der Wasserstoffleitung 5, welche den Dehydrator 21 mit der Brennkammer 6 verbindet, der Brennkammer 6 zugeführt werden.
Nachdem das sekundäre Abgas aus dem Dampferzeuger 13 über dessen
Auslassöffnung ausgetreten ist, wird es in den Abgaskondensator 25 eingeleitet. In dem Abgaskondensator 25 wird der Wasserdampfanteil des Abgases kondensiert. Das Abgaskondensat wird aus dem Abaskondensator entnommen. In dem
Ausführungsbeispiel ist hierfür die Injektionswasserleitung 24 bis an den
Abgaskondensator 25 herangeführt, womit das Abgaskondensat direkt als
Injektionswasser wieder genutzt werden kann. Somit wird ein Kreislauf aus Verdampfung des Injektionswassers, Führung des Wasserdampfanteils im Abgas, Kondensation und Rückführung des flüssigen Wasser zur erneuten Injektion ausgebildet. An einer Anschlussstelle 26 kann je nach Prozesszustand dem Kreislauf entweder überschüssiges Abgaskondensatwasser entnommen oder benötigtes Injektionswasser zugeführt werden.
Fig. 2 zeigt eine vergrößerte Ansicht der Sekundäreinheit 2 zur räumlichen
Abgrenzung des Dampfturbinenkreislaufs 10 und der chemischen
Wasserstoffträgereinheit 11.
Verwendete Bezugszeichen
1 Primäreinheit
2 Sekundäreinheit
3 Verdichter
4 Verbrennungsluftleitung
5 Wasserstoffleitung
6 Brennkammer
7 primäre Abgasleitung
8 Abgasturbine
9 Primärgenerator
10 Dampfturbinenkreislauf
1 1 chemische Wasserstoffträgereinheit
12 sekundäre Abgasleitung
13 Dampferzeuger
14 Dampfdruckleitung
15 Dampfturbine
16 Sekundärgenerator
17 Abdampfleitung
18 Kondensator
19 Kondensatleitung
20 Wasserstoffträgertank
21 Dehydrator
22 Wärmeübertrager
23 Wasserstoffträgerleitung
24 Injektionswasserleitung
25 Abgaskondensator
26 Anschlussstelle

Claims

Patentansprüche
1. Wasserstoff-Dampf-Kraft-Werk,
aufweisend eine Primäreinheit (1) sowie eine Sekundäreinheit (2),
wobei die Primäreinheit (1) einen Verdichter (3), eine
Verbrennungsluftleitung (4), eine Wasserstoffleitung (5), eine
Injektionswasserleitung (24), eine Brennkammer (6), eine primäre
Abgasleitung (7), eine Abgasturbine (8) sowie einen Primärgenerator (9) aufweist,
wobei von dem Verdichter (3) atmosphärische Luft aufnehmbar,
komprimierbar und als Verbrennungsluft mittels der Verbrennungsluftleitung (4), welche den Verdichter (3) und die Brennkammer (6) verbindet, in die Brennkammer (6) einleitbar ist, wobei ein Wasserstoff mittels der
Wasserstoffleitung (5), welche mit der Brennkammer (6) verbunden ist, in die Brennkammer (6) einleitbar ist, wobei ein Injektionswasser mittels der Injektionswasserleitung (24), welche mit der Brennkammer (6) verbunden ist, in die Brennkammer (6) einleitbar ist, wobei in der Brennkammer (6) der Wasserstoff und die Verbrennungsluft zu einem primären Abgas verbrennbar und das Injektionswasser zu einem Injektionswasserdampfanteil des primären Abgases verdampfbar sind, wobei das primäre Abgas mittels der primären Abgasleitung (7), welche die Brennkammer (6) und die
Abgasturbine (8) verbindet, der Abgasturbine (8) zuführbar ist, wobei das primäre Abgas mittels der Abgasturbine (8) zu einem sekundären Abgas entspannbar und eine thermische Energie des primären Abgases in eine erste mechanische Energie umwandelbar ist, wobei die erste mechanische Energie an den Primärgenerator (9) übertragbar ist und von diesem in eine erste elektrische Energie umwandelbar ist,
wobei die Sekundäreinheit (2) einen Dampfturbinenkreislauf (10) und eine chemische Wasserstoffträgereinheit (11) aufweist,
wobei der Dampfturbinenkreislauf (10) eine sekundäre Abgasleitung (12), einen Dampferzeuger (13), eine Dampfdruckleitung (14), eine Dampfturbine (15), einen Sekundärgenerator (16), eine Abdampfleitung (17), einen
Kondensator (18) sowie eine Kondensatleitung (19) aufweist,
wobei das sekundäre Abgas mittels der sekundären Abgasleistung (12), welche die Abgasturbine (8) und den Dampferzeuger (13) verbindet, dem Dampferzeuger (13) zuführbar ist, wobei in den Dampferzeuger (13) mittels einer Kondensatleitung (19), welche den Kondensator (18) mit dem
Dampferzeuger (13) verbindet, ein Kondensatwasser einleitbar und mittels Übertragung einer thermischen Energie des sekundären Abgases zu einem Heißdampf verdampfbar ist, wobei der Heißdampf mittels der
Dampfdruckleitung (14), welche den Dampferzeuger (13) und die
Dampfturbine (15) verbindet, der Dampfturbine (15) zuführbar ist, wobei der Heißdampf mittels der Dampfturbine (15) zu einem Abdampf entspannbar ist und wobei eine thermische Energie des Heißdampfes mittels der
Dampfturbine (15) in eine zweite mechanische Energie umwandelbar ist, wobei die zweite mechanische Energie an den Sekundärgenerator (16) übertragbar ist und von diesem in eine zweite elektrische Energie
umwandelbar ist, wobei der Abdampf über die Abdampfleitung (17), welche die Dampfturbine (15) mit dem Kondensator (18) verbindet, dem
Kondensator (18) zuführbar ist und von diesem mittels einer Kondensation zu Kondensatwasser umbildbar ist, wobei aus dem Kondensator (18) eine thermische Energie aus der Kondensation ausführbar ist, wobei das
Kondensatwasser in die Kondensatleitung (19) einführbar ist,
dadurch gekennzeichnet,
dass die chemische Wasserstoffträgereinheit (11) einen
Wasserstoffträgertank (20), einen Dehydrator (21) sowie einen
Wärmeübertrager (22) aufweist, wobei in dem Wasserstoffträgertank (20) ein hydrierter Wasserstoffträger aufnehmbar ist, wobei mittels einer
Wasserstoffträgerleitung (23), welche den Wasserstoffträgertank (20) mit dem Dehydrator (21) verbindet, der hydrierte Wasserstoffträger dem
Dehydrator (21) zuführbar ist, wobei mittels des Wärmeübertragers (22) eine thermische Energie des Abdampfes an den Dehydrator (21) übertragbar ist, wobei mittels der thermischen Energie das Abdampfes in dem Dehydrator (21) unter einer Abgabe des Wasserstoffs der hydrierte Wasserstoffträger in einen dehydrierten Wasserstoffträger umwandelbar ist und wobei mittels der Wasserstoffleitung (5), welche den Dehydrator (21) mit der Brennkammer (6) verbindet, der Wasserstoff der Brennkammer (6) zuführbar ist.
2. Wasserstoff-Dampf-Kraft-Werk nach Anspruch 1 ,
dadurch gekennzeichnet,
dass die thermische Energie aus der Kondensation von dem Kondensator (18) an eine Heizanlage übertragbar ist.
3. Wasserstoff-Dampf-Kraft-Werk nach Anspruch 1 und 2,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Primäreinheit (1) zumindest eine Alternativbrennstoffzuleitung aufweist, die mit der Brennkammer (6) verbunden ist und mittels welcher ein Alternativbrennstoff in die Brennkammer (6) einleitbar und mit der
Verbrennungsluft zu dem primären Abgas verbrennbar ist.
4. Wasserstoff-Dampf-Kraft-Werk nach einem der vorhergenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
dass das Wasserstoff-Dampf-Kraft-Werk einen Abgaskondensator (25) aufweist, wobei der Abgaskondensator (25) ausgebildet ist, einen
Wasserdampfanteil aus dem sekundären Abgas nach dessen Austritt aus dem Dampferzeuger zu einem Abgaskondensatwasser zu kondensieren. HIERZU ZWEI SEITEN ZEICHNUNGEN
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