NO304568B1 - FremgangsmÕte og installasjon til Õ generere elektrisk energi - Google Patents

Description

I industrien er det et behov for en installasjon for å generere elektrisk energi med høy effektivitet og i tillegg med et minimum av miljøforurensning. Til nå har det vært en rekke maskiner såsom motorer med innvendig forbrenning og gassturbiner hvor en effektivitet på ca. 35 % i realiteten kan oppnås, men som på grunn av skadelig utslipp (spesielt NO-innholdet i eksosgassene) ikke desto mindre fortsatt vekker bekymring. Hensikten med oppfinnelsen er å skaffe en fremgangsmåte og en installasjon som gir en betydelig forbedring i relasjon til de to ovennevnte problemer, effektivitet og skadelig utslipp.

I denne forbindelse er oppfinnelsen basert på en fremgangsmåte, foreslått på sidene 90/91 i A.J. Appleby og F.R. Foulkes "Fuel cell handbook," utgitt av Van Nostrand Reinhold i 1989, i forskjellige utførelser, til å generere elektrisk energi ved bruk av et gassformig medium, f.eks. luft som føres inn i en åpen krets, først gjennom minst én kompressorenhet med en drivturbin og videre gjennom en brenselcelle. Det fremskritt som foreslås i henhold til oppfinnelsen oppnås ved at gasstrømmen også føres gjennom en kraftturbin for generering av mekanisk energi, idet eksosen fra nevnte kraftturbin unnslipper via den ene siden av en røkgassvarmeveksler, hvis andre side gjennomstrømmes av nevnte komprimerte gassformige medium for å øke dets temperatur før det føres gjennom nevnte turbin for å drive kompressorenheten, idet det gassformige medium føres inn i brenselcellen etter å ha blitt ført gjennom drivturbinen.

Fremgangsmåten omfatter kombinasjonen av følgende trekk: kompressorturbiner mates ikke (som hittil vanlig) av eksosgassene fra gassturbinen, men hovedsakelig av den komprimerte luft selv som benyttes for dette formål etter å ha gjennomgått en ytterligere temperaturøkning i røkgassvarmeveksleren,

det gassformige medium som kommer ut av den ovennevnte kompressorturbin med relativt lavt trykk og temperatur benyttes nå som forbrenningsgass (oksidasjonsmiddel) i brenselcellen, sammen med et reduksjonsmiddel (f.eks. naturgass),

trykket av det gassformige medium (oksidasjonsmiddelet) er lavt ved innløpet til brenselcellen likeledes som trykket til reduksjonsmiddelet, hvilket gjør systemet mer fleksibelt.

Oppfinnelsen muliggjør en fremgangsmåte som i første rekke oppnår en høyere elektrisk effektivitet og i hvilken teoretisk carnot-syklus bedre approksimeres enn det hittil har vært mulig. For det annet innbefatter denne termiske krets (som er undergitt carnot-begrensningen) et elektrokjemisk system som ikke har denne begrensning og med hvilket effektiviteter på minst 55-70 % anses mulige, med håndterbare temperaturer til og med i størrelsesorden 1000°C. I tillegg til dette er det en kjensgjerning at den foreslåtte metode alltid står til rådighet en viss varmeverdi i det såkalte forbrukte brensel (reduksjonsmiddel) som kan benyttes f.eks. i et forbrenningsanlegg. Dessuten er gass-luftblandingen som kommer inn i gassturbinen etter å ha gått gjennom forbrenningsanlegget ikke miljøskadelig. For å være spesifikk kan det bare forekomme små mengder av skadelig NOx-utslipp (50 g/GJ) i røkgassene. Den katalytiske omformingsprosess i brenselcellen danner ikke noen skadelige produkter, med det resultat at den foreslåtte nye fremgangsmåte praktisk talt ikke forurenser miljøet. Et ytterligere bidrag til å redusere miljøforurensningen beror på at økningen i effektivitet er på fra 35 % netto for en kraftstasjon til omtrent 55-70 % ved den nye fremgangsmåte. Sammenlignet med kjent teknikk er derfor omtrent halvparten så mye brensel nødvendig for å generere samme mengde elektrisk energi. Dette resulterer i en tilsvarende reduksjon av C02- Bruken av brenselcelle har den dobbelte oppgave å levere elektrisk energi og produsere varme gasser.

Oppfinnelsen angår også en installasjon til å utføre fremgangsmåten beskrevet ovenfor og derfor til å generere elektrisk energi ved hjelp av en gasstrøm og bruk av en rekke mekaniske komponenter, idet installasjonen omfatter en kompressorenhet koblet til minst én drivturbin og dessuten en røkgassvarmeveksler.

Sammenkoblingen av de nevnte komponenter er slik at det dannes en åpen krets for gasstrømmen, hvis trykk først økes i kompressorenheten og deretter blir også dens temperatur øket i røkgassvarmeveksleren, hvoretter gasstrømmen føres via en brenselcelle. I henhold til oppfinnelsen føres gasstrømmen, etter å ha passert gjennom kompressorenheten og gjennom røkgassvarmeveksleren, deretter til drivturbinen eller -turbinene før den passerer gjennom brenselcellen, hvorpå den strømmer med noe overtrykk mot en kraftturbin etter først å ha blitt ført oppstrøms og/eller nedstrøms for gassturbinen som et oksidasjonsmiddel gjennom nevnte brenselcelle.

Bruken av denne celle kan frembringe en ytterligere økning i effektiviteten ved samme luftstrøm og et noe mindre brenselforbruk i brennkammeret. Denne virkning skyldes spillvarmen til cellen som øker varmeinnholdet i brennkammeret. Når det benyttes en høytemperaturbrenselcelle (i størrelsesorden 1000°C, såsom med en fastoksid-brenselcelle) (SOFC), kunne brennkammeret til gassturbinen til og med bli praktisk talt overflødig. Likestrømmen fra brenselcellen kan nyttes direkte som en likestrøm eller etter omforming benyttes som vekselstrøm. En tredje mulighet består i tilførselen av likestrøm til gassturbinens elektriske generator.

Den nettopp omtalte installasjon omfatter turbinkomponenter som er i og for seg kjent, med den følge at det kan gjøres bruk av komponenter som allerede er utviklet industrielt for å montere en installasjon som, som en følge av den høye effektivitet, gir en reduksjon i C02-utslippet til miljøet av en størrelsesorden som er halvparten relativt til den for kjente maskiner såsom motorer med innvendig forbrenning, kjel-dampturbininstallasjoner og vanlige gassturbiner. En reduksjon i NOx-utslippet på mer enn 50 % kan fås. I denne forbindelse er det ennå ikke blitt tatt hensyn til muligheten av å redusere miljøforurensningen ved bruk i varme- og kraftinstallasjoner (totalenergikonsept).

Det skal påpekes at to typer brenselceller spesielt er særlig egnet for bruk ved fremgangsmåten og installasjonen i henhold til oppfinnelsen. Den første type er den såkalte MCFC (karbonatsmelte-brenselcelle) med en arbeidstemperatur på ca. 650°C. Den annen type er den såkalte PAFC (fosforsyre-brenselcelle) med en arbeidstemperatur på ca. 200°C. Fastoksid-brenselcellen (SOFC) kan også benyttes og har en arbeidstemperatur på ca. 1000°C. Disse typene er beskrevet i: 1) H.A. Liebhafsky og E.J. Cairns "Fuel cells and fuel batteries",

Wiley & Son, New York (1968),

kapittel 12, sidene 524-554.

2) A.J. Appleby og F.R. Foulkes,

"Fuel Cell Handbook",

Van Nostrand Reinholt, New York (1989).

3) Supramanian Srinivasan,

Journal of the Electrochemical Society,

136 (2), februar 1989, sidene 41C-48C.

Brenselcellen i den åpne krets er fortrinnsvis plassert mellom kompressorturbinen (CT) og kraftturbinen (PT). En plassering lenger nedstrøms eller til og med bortenfor gassturbinen er mulig. Dette er vist med strekpunkterte linjer i den vedføyde tegning. Det er også tenkelig med en plassering oppstrøms for kompressorturbinen og til og med enda lenger frem i kretsen.

Det skal videre bemerkes at US-PS nr. 4 678 723 (Wertheim) angår en fosforsyrebrenselcelle (PAFC) i kombinasjon med en autoterm reformer for å levere en gassholdig blanding til en turbin som driver en kompressorenhet. Brenselcellen kjøles av vanndråper og innsprøytet vanntåke for å øke dens utbytte. Det has noen gassturbin med en eksosgassvarmeveksler for å øke temperaturen av den komprimerte gassblanding.

Oppfinnelsen skal nå forklares mer detaljert med henvisning til tegningen og til en tabell. Tegningen viser meget skjematisk på fig. 1-6 noen utførelser av installasjonen hvori elektrisk energi genereres.

Fig. 1-5 viser et reservoar 1 med gassholdig medium, f.eks. luft. Mediet føres gjennom en åpen krets som begynner med en kompressorenhet 2 som i dette tilfelle omfatter en lavtrykkskompressor Ci og en høyttrykkskompressor C2som er forbundet med hverandre ved en ledning 3. Denne forbindelses-ledningen innbefatter en varmeveksler III som normal mellomkjøler. Kompressorenheten 2 drives av en kompressorturbin 4 som i dette tilfelle er utført som en enkel turbin CT for begge kompressorer. Det er også mulig å drive hver av kompressorene C^ og C2med en individuell turbin.

I den åpne krets er det anordnet en røkgassvarmeveksler I som er forbundet via en ledning 5 til en gassturbin 6 (kraftturbinen PT) for å generere elektrisk energi. Høyttrykkskompressoren C2er forbundet via en ledning 7 til røkgassvarmeveksleren I og det gassformige medium som oppvarmes i denne strømmer i utførelsen i henhold til fig. 1,2 og 4, via en ledning 8 til kompressorturbinen 4. Etter å ha passert gjennom denne turbinen strømmer det gassformige medium med i den viste utførelse med redusert temperatur via ledningen 9 til en brenselcelle med det formål å mate katoden i cellen med det nevnte medium, dvs. med oksidasjonsmiddelmediet som har noe for høy temperatur, og strømmer deretter via en ledning 11 til det såkalte brennkammer 12 som også er forsynt med et reservoar 13 av "forbrukt brensel" slik det vil bli forklart i det følgende. Gassturbinen 6 driver en elektrisk generator 14.

Som en alternativ løsning viser tegningen ved strekpunkterte linjer plasseringen av brenselcellen 10 nedstrøms for gassturbinen 6. Forbindelsesledningene bør være tilpasset på tilsvarende måte. Den videre beskrivelse av oppfinnelsen angår også denne variant. De spesifikke fordeler ved denne plassering av brenselcellen er følgende:

trykkontrollen blir lettere,

det vil være mulig å eliminere varmeveksleren II.

I den valgte konstruksjon i henhold til fig. 1-4, er brenselcellen 10 av typen MCFC (karbonatsmeltebrenselcelle). Cellen har en elektrisk effektivitet på ca. 55 % og anoden forsynes ved brensel, dvs. et reduksjonsmiddel såsom en hydrogenrik gass. Det skal imidlertid pekes på at i varianten med såkalt innvendig reformering, ville også en direkte bruk av naturgass som brensel være mulig. Som det endelige produkt i brenselcellen 10 genereres likestrøm ved klemmene 16.

Det skal påpekes at tre andre varmevekslere II, IV og V også er vist på tegningen. Varmeveksleren II er anordnet i det siste avsnitt av utløpsledningen 17 for røkgassvarmeveksleren I og benytter på denne måte en ytterligere del av varmen som foreligger ved enden 18 av den åpne krets. Varmeveksleren IV (fig. 1) slås av og på ved hjelp av en stengeventil 19.1 den ene stilling av stengeventilen føres gasstrømmen direkte til brenselcellen 10 fra kompressorturbinen 4 via ledningen 9. I den andre stilling av stengeventilen 19 føres gasstrømmen eller en del av den gjennom varmeveksleren IV med det formål å varme opp eller kjøle gasstrømmen. Dette kan under tiden være nødvendig. Varmeveksleren V benyttes til å varme opp brenselet som mates inn via ledningen 15.

I det tilfelle det benyttes en FCMC-celle, skulle tilførselen til katoden inneholde luft med tilstrekkelig innhold av CO2. Under disse omstendigheter vil en resirkulasjon av CO2i systemet være den mest innlysende løsning. Dette kan finne sted ved å benytte såkalt selektive separasjonsmetoder, f.eks. ved å innbefatte membraner 30 i ledningene 5,17 eller 18. En resirkulasjon av damp i ledning 18, etter separasjonen av vann i varmeveksleren II, kan til slutt finne sted for å øke andelen av inertgass. På fig. 1-4 er det vist en grenledning 18' som innbefatter en kontrollventil 23 i en varmeveksler VI, som en skjematisk gjengivelse av den resirkulasjonsprosessen. Med forskjellige brenseltyper benyttes ikke en slik tilleggsledning, se fig. 5 og 6. En sentrifugalkompressor 24 benyttes til å forstøve brenselet.

Fig. 2 viser en hjelpebrenner 20 i en gren 11' av ledningen 11 til gassturbinen 6 med det formål å muligvis ytterligere oppvarme det gassformige medium ved hjelp av det ovennevnte "forbrukte brensel" som kommer fra ledningen 13 fra anoden til den benyttede brenselcelle 10. Dette gassformige "forbrukte brensel" inneholder f.eks. 15 % H2og dessuten CO2, H2O og N2, med det resultat at det fortsatt er betydelig varmeverdi tilgjengelig. I tillegg befinner det "forbrukte brensel" seg på en betydelig temperatur. Som et resultat av dette kan gassen benyttes i brennkammeret 12 eller i hjelpebrenneren 20 (fig. 2-4) eller kan føres tilbake til brenselbehandlingsseksjonen. En renseinnretning 21 blir generelt benyttet i ledningen 15.1 brennkammeret 12 kan det være et overskudd av H2som kommer fra det "forbrukte brensel" fra linjen 13. Ekstra luft kan derfor tilføres fra den første kompressor Cj via en ledning 22 for å oppnå fullstendig forbrenning. Alternativt kan en del av brenselet (bl.a. "forbrukt brensel") benyttes for å forbedre kvaliteten av brenselet som kommer inn via linjen 15 (f.eks. ved dampreformering). Da en del av CO2blir direkte resirkulert til anoden, vil fluidstrømmen gjennom ledningen 18' bli sterkt redusert.

Fig. 3 viser at for å forbedre systemet termodynamisk, er hjelpebrenneren 20 blitt flyttet til et høyere trykknivå (f.eks. 885 kPa, lik 8,85 bar) i linjen 8 og benyttes til å varme opp luften til f.eks. 850°C oppstrøms for kompressorturbinen 4. Dette fører til at temperaturen nedstrøms for turbinen f.eks. blir 620°C som påkrevet ved MCFC-brenselcellen. Samtidig vil trykket minke til f.eks. 290 kPa (=2,93 bar). For å bringe en del av det "forbrukte brensel" til det høyere trykknivå, er det angitt en kompressor 24 som følger etter en ytterligere kjøler 28 for å senke gasstemperaturen fra 677°C til 30°C.

Ved installasjonen i henhold til fig. 4 er brenselcellen blitt innbefattet i høyttrykksseksjonen (ca. 900 kPa) i kretsen. En del av det "forbrukte brensel" fra anoden i brenselcellen 10 føres gjennom ledningen 13 til hjelpebrenneren 20 i ledningen 8' for oksidasjonsmiddelstrømmen som kommer ut av katoden til brenselcellen 10.

I installasjonen i henhold til fig. 5 omfatter breneslcellen 10 en PAFC (fosforsyrebrenselcelle) med en arbeidstemperatur på 200°C. Cellen er plassert i lavtrykksseksjonen av kretsen, i ledningen 9 fra kompressorturbinen 4. Utløpstemperaturen (f.eks. 470°C) for denne turbinen må senkes til 200°C ved hjelp av en kjøler VII. I praksis vil begge varmevekslerne V og VII kombineres i en innretning. Da en PAFC ikke tillater innvendig reformering, må brenselet som kommer inn gjennom ledningen 15, være en hydrogenrik gass. På fig. 6 er brenselcellen 10 blitt innbefattet i kretsen nedstrøms for lavtrykkskompressoren C\og oppstrøms for en ekstra brenner 29 for å øke temperaturen fra 137°C til 200°C.

Det skal påpekes at i stedet for å benytte en brenselcelle av typen MCFC eller PAFC, er bruken av typen SOFC (fast oksid brenselcelle) også tenkelig. Det skal videre iakttas at lavtemperatur-breneslceller såsom alkaliske brenselceller AFC og polymerbrenselceller SPFC eller SPEFC kan benyttes i de relativt kjølige ledninger nær kompressorer og mellomkjøler, såvel som i den relativt kalde eksosledning 17,18 nedstrøms for regeneratoren I. En beskrivelse av alle disse brenselcellene kan finnes i ovennevnte håndbøker.

Kretsen inneholder én eller flere sentrifugalkompressorer 24 med det formål å frembringe en økning i trykket til fordel for visse avsnitt av kretsen eller for innsprøyting av brensel i brennkammeret 12. En slik sentrifugalkompressor er ikke nødvendig i alle de omtalte varianter av installasjonen.

Installasjonen begynner som en motor 25 som via en kobling 26 er forbundet til kompressorenheten 2. Disse kompressorene bringes til omtrent 20 % av arbeidshastigheten. Deretter tennes en brennerdyse (ikke vist) ved hjelp av en tennplugg (heller ikke vist) inne i brennkammeret 12. Ledningen 27 sørger for tilførselen av brensel. Generatoren G synkroniseres med nettet, hvoretter temperaturen til turbinen 6 økes.

Det skal påpekes at installasjonen også kan utgjøre en del av en varme- og kraftstasjon (totalenergisystem) og at gassene fra ledningen 18 kan leveres til et drivhus for å øke C02-assimilasjonsprosessen.

En rekke verdier for en imaginær installasjon (fig. 1) som er relatert til størrelsen pr. tidsenhet for gasstrømmen, temperaturene som forekommer og trykkene ved innløp og utløp av de forskjellige kompressorer og varmevekslere og også ved kompressorturbinen 4, brenselcellen 10 og kraftturbinen 6 er sammenfattet i den nedenstående tabell.

Claims (11)

1. Fremgangsmåte til å generere elektrisk energi ved bruk av et gassformig medium som føres i en åpen krets, først gjennom minst én kompressorenhet (2) med en drivturbin (4), idet det gassformige medium inne i kretsen deretter føres som et oksidasjonsmiddel til en brenselcelle (10) som, sammen med et brensel som fungerer som reduksjonsmiddel, genererer elektrisk energi i nevnte celle, karakterisert vedat gasstrømmen også føres gjennom en kraftturbin (PT) for generering av mekanisk energi, idet eksosen fra nevnte kraftturbin unnslipper via den ene siden av en røkgassvarmeveksler (I), hvis andre side gjennomstrømmes av nevnte komprimerte gassformige medium for å øke dets temperatur før det føres gjennom nevnte turbin (4) for å drive kompressorenheten (2), idet det gassformige medium føres inn i brenselcellen (10) etter å ha blitt ført gjennom drivturbinen (4).

2. Fremgangsmåte i henhold til krav 1, karakterisert vedat gasstrømmen til kraftturbinen (PT) føres først gjennom enten nevnte brenselcelle (10) (fig. 1-3 og 5) eller gjennom et brennkammer (12) (fig. 4).

3. Fremgangsmåte i henhold til krav 1 eller 2, karakterisert vedat gasstrømmen i kretsen passerer gjennom én eller flere ytterligere varmevekslere (II-VI) med det formål å justere gasstemperaturen med tanke på å optimere effektiviteten.

4. Fremgangsmåte i henhold til krav et av de foregående krav,karakterisert vedat luft benyttes som gassformig medium i gasstrømmen, og at en hydrogenrik gass, f.eks. fra en dampreformer matet med naturgass, leveres til brenselcellen (10) som brensel.

5. Fremgangsmåte i henhold til et av de foregående krav,karakterisert vedat likestrømmen som genereres i brenselcellen (10), leveres til en elektrisk generator (14) koblet til gassturbinen (PT).

6. Installasjon til å utføre fremgangsmåten i henhold til et av kravene 1-5, hvor genereringen av elektrisk energi ved hjelp av en gasstrøm skjer ved bruk av en rekke mekaniske komponenter, omfattende en kompressorenhet (2) koblet til minst én drivturbin (4) og dessuten en røkgassvarmeveksler (I), idet de mekaniske komponenter er sammenkoblet for å frembringe en åpen krets for gasstrømmen, hvis trykk først økes i kompressorenheten (2), hvorpå også dens temperatur økes i røkgassvarmeveksleren (I), hvoretter gasstrømmen føres gjennom en brenselcelle (10) anordnet i kretsen,karakterisert vedat gasstrømmen, etter å ha passert gjennom kompressorenheten (2) og gjennom røkgassvarmeveksleren (I), deretter føres til drivturbinen eller -turbinene (4) før den passerer gjennom brenselcellen (10), hvorpå den strømmer med noe overtrykk mot en kraftturbin (6) etter først å ha blitt ført oppstrøms og/eller nedstrøms for kraftturbinen som et oksidasjonsmiddel gjennom nevnte brenselcelle (10).

7. Installasjon i henhold til krav 6, karakterisert vedat det som kraftturbin (6) benyttes en enkeltstrøms sentripetaltype.

8. Installasjon i henhold til krav 6 eller 7, karakterisert vedat brenselcellen (10) er av typen MCFC (karbonatsmeltebrenselcelle).

9. Installasjon i henhold til krav 8, karakterisert vedat anoden i brenselcellen (10) er forbundet til et reservoar (14) for naturgass.

10. Installasjon i henhold til krav 6 eller 7, karakterisert vedat brenselcellen er av typen PAFC (fosforsyrebrenselcelle).

11. Installasjon i henhold til et av kravene 6-10, karakterisert vedat en ytterligere brenner (20) eller brennkammer (12) er anordnet i kretsen, forbundet til utløpsledningen (13) for anoden i brenselcellen (10) for å motta "forbrukt brensel".