WO2019011360A1 - Wasserstoff-dampf-kraftwerk - Google Patents

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Definitions

  • the secondary exhaust pipe in this case connects the exhaust gas turbine and the steam generator, so that the secondary exhaust pipe at the same time represents the connection point of the secondary unit to the primary unit.
  • the secondary exhaust gas available after expansion in the exhaust gas turbine which still has high temperatures and thus high thermal energy, can thus be supplied to the steam generator and used there for evaporation.
  • a condensate water can be introduced and evaporated by means of a transfer of the thermal energy of the secondary exhaust gas to a superheated steam.
  • the condensate water is introduced by means of a condensate line which connects the condenser and the steam generator in this and then evaporated in the steam generator.
  • 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 utilized while reducing the heat loss for the evaporation of the condensate water within the steam generator.
  • the thermal energy of the secondary exhaust gas is also sufficient for the complete evaporation of the condensate water, so that no additional burners or similar devices are needed.
  • the primary unit has at least one alternative fuel supply line which is connected to the combustion chamber and by means of which an alternative fuel can be introduced into the combustion chamber and combusted with the combustion air to the primary exhaust gas.
  • FIG. 1 shows an embodiment of a hydrogen-steam-power plant as a block diagram.
  • the hydrogen-steam-power plant is subdivided 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.
  • fuel cells are used in particular, wherein the energy is based on a reaction of oxygen and gaseous hydrogen.
  • the electrical energy can then feed, for example, the electric drive of a vehicle.
  • a disadvantage of fuel cells is their comparatively low efficiency, whereby at the same time the overall efficiency of the energy storage in connection with a LOHC process is low.
  • the compressor is also mechanically coupled to the assembly of exhaust gas turbine and primary generator and 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 designed such that it can be used both in generator mode and in engine operation. can be operated.
  • the primary generator can drive the compressor in engine operation with the supply of electrical energy and perform a first compression of the atmospheric air to combustion air. As soon as the combustion process has started and the exhaust gas turbine gives off mechanical energy, the primary generator is switched over from engine operation to generator operation.
  • From the compressor 3 is atmospheric air as ambient air with the oxygen needed therein for combustion absorbable and compressible.
  • the air is compressed from atmospheric pressure to about 3 bar and is then present as combustion air, which can be introduced via the combustion air line 4 into the combustion chamber 6.
  • combustion air can be introduced via the combustion air line 4 into the combustion chamber 6.
  • hydrogen can be introduced by means of the hydrogen line 5 as fuel into the combustion chamber 6.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein 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 Brennkammer (6), eine primäre Abgasleistung (7), eine Abgasturbine (8) sowie einen Primärgenerator (9) aufweist, 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, 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 Wasserstoffträgerlertung (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 umwandetbar ist und wobei mittels der Wasserstoffleitung (5), welche den Dehydrator (21) mit der Brennkammer (6) verbindet, der Wasserstoff der Brennkammer (6) zuführbar ist.

Description

WASSERSTOFF-DAMPF-KRAFTWERK
Die Erfindung betrifft ©in Wasserstoff-Dampf-Kraft-Werk (H2DKW) zur Bereitstellung von elektrischer Energie sowie optional zur Bereitstellung von thermischer Energie,
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 Wind kraftan lagen 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 Flüssiggasspei- cherung 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 inbesondere aromatische Verbindungen zur Anwendung, an welche der Wasserstoff mittels einer Hydrierung chemisch gebunden wird. Mittels einer Dehydrierung des Wasserstoffträgers kann der Wasserstoff wieder herausgelöst und nachfolgend aus dem Wasser- Stoff 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 Wasserstoffzuleitung, 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 mitteis 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.
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 ist. 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 Motorbe- trieb betrieben werden kann. Somit kann in einem Anlaufprozess der Primärgenerator im otorbetrieb 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 Dampf- turbine 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 mitteis 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 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 umwanclel- bar. 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 Wasserstoff 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 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 einsetzbar ist. Somit entfällt der aufwendige und kostenintensive 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 vorhanden 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 Dehydra- tor gewonnen wird, als Brennstoff genutzt werden. 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 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 Sekundörgenerator 16, eine Abdampfleitung 7, 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 An- schluss 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.
Die Verbrennungsluft ist nun mitteis des Wasserstoffs in der Brennkammer 6 zu einem primären Abgas verbrennbar. Die Brennkammer 6 weist im vorliegenden Ausführungsbetspiel zudem Sicherheitsklappen auf, welche einen selbstständigen Verschluss bei Vorliegen eines Überdrucks ermöglichen. Nach der Verbrennung 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 700eC, aufweist, ist mittels der sekundären Abgasleitung 12 dem Dampferzeuger 13 zuführbar. Der Eintritt des sekundären Abgases in die sekundäre Abgasleitung 12 stellt hierbei zugleich den Übergang des Arbeltsmediums 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 Kondensatleitung 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 3 zudem eine Auslassöffnung vorgesehen, über welche das sekundäre Abgas anschließend austreten kann.
Der entstandene Heißdampf wird hingegegen in einer Dampfdruckleitung 14 der Dampfturbine 5 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 9 einleitbar 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 -abgäbe 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 De- hydrator 21 zuführbar. Gemäß der hier gewählten Ausführungsform führt die Was- serstoffträgerleitung 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 dehydiert werden. Die endotherm stattfindende Dehydrierung des Wasserstoffträgers findet dabei un- ter 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.
Fig. 2 zeigt eine vergrößerte Ansicht der Sekundäreinheit 2 zur räumlichen Abgrenzung des Dampfturbinenkreislaufs 10 und der chemischen Wasserstofftrögereinheit 11.
Verwendete Bezugszeichen
1 Primäreinheit
2 Sekundäreinheit
3 Verdichter
4 Verbrennungsluftleitung
5 Wasserstoffleitung
6 Brennkammer
7 primäre Abgasleitung
8 Abgasturbine
9 Primärgenerator
10 Dampfturbinenkreislauf
11 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 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.
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 Flüssiggasspei- cherung 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 inbesondere aromatische Verbindungen zur Anwendung, an welche der Wasserstoff mittels einer Hydrierung chemisch gebunden wird. Mittels einer Dehydrierung des Wasserstoffträgers kann der Wasserstoff wieder herausgelöst und nachfolgend aus dem Wasser- stoff 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 Wasserstoffzuleitung, 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.
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 ist. 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 Motorbe- trieb 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 Dampf- turbine 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 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 Wasserstoff 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 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 einsetzbar ist. Somit entfällt der aufwendige und kostenintensive 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 vorhanden 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 Dehydra- tor gewonnen wird, als Brennstoff genutzt werden. 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 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 An- schluss 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.
Die Verbrennungsluft ist nun mittels des Wasserstoffs in der Brennkammer 6 zu einem primären Abgas verbrennbar. Die Brennkammer 6 weist im vorliegenden Ausführungsbeispiel zudem Sicherheitsklappen auf, welche einen selbstständigen Verschluss bei Vorliegen eines Überdrucks ermöglichen. Nach der Verbrennung 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 mittels der sekundären Abgasleitung 12 dem Dampferzeuger 13 zuführbar. Der Eintritt 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 Kondensatleitung 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 hingegegen 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 einleitbar 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 -abgäbe 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 De- hydrator 21 zuführbar. Gemäß der hier gewählten Ausführungsform führt die Was- serstoffträgerleitung 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 dehydiert werden. Die endotherm stattfindende Dehydrierung des Wasserstoffträgers findet dabei un- ter Beteiligung eines Katalysators statt. Im Anschluss daran liegt der abgespaltene Wasserstoff in gasförmigem Zustand vor und kann mittels der Wasserstoff leitung 5, welche den Dehydrator 21 mit der Brennkammer 6 verbindet, der Brennkammer 6 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
11 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

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 Brennkammer (6), eine primäre Abgasleistung (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 Brennkammmer (6) verbunden ist, in die Brennkammer (6) einbringbar ist, wobei der Wasserstoff und die Verbrennungsluft in der Brennkammer (6) zu einem primären Abgas verbrennbar 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 ( 3) 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 ( 6) übertragbar ist und von diesem in eine zweite elektrische Energie umwandelbar ist, wobei der Abdampf über die Abdampf leitung (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 Aiternativbrennstoffzuieitung 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.
HIERZU ZWEI SEITEN ZEICHNUNGEN
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 Brennkammer (6), eine primäre Abgasleistung (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 Brennkammmer (6) verbunden ist, in die Brennkammer (6) einbringbar ist, wobei der Wasserstoff und die Verbrennungsluft in der Brennkammer (6) zu einem primären Abgas verbrennbar 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 Ab- dampfleitung (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. 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.
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.
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