DE102007026570A1

DE102007026570A1 - Verfahren zur Erzeugung von Strom und Wärme

Info

Publication number: DE102007026570A1
Application number: DE102007026570A
Authority: DE
Inventors: Bernhard Krieg
Original assignee: PROJEKTENTWICKLUNG EN und UMWE; PROJEKTENTWICKLUNG ENERGIE und UMWELT LEIPZIG GmbH
Current assignee: PROJEKTENTWICKLUNG ENERGIE UND UMWELT LEIPZIG , DE
Priority date: 2007-06-08
Filing date: 2007-06-08
Publication date: 2008-12-11

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erzeugung von Strom, Wärme und Wasserstoff/Methanol auf effiziente und umweltfreundliche Weise. Es ist die Aufgabe gestellt, die Effizienz von mit fossilen oder biogenen Brennstoffen arbeitenden Dampfkraftwerken zu verbessern. Die Aufgabe wird gelöst durch die Ankopplung eines MHTR-Kraftwerkes, das für das Oxyfuel-Dampfkraftwerk Sauerstoff zur Verfügung stellt und den Dampf seiner Abhitzekesselanlage in die Dampfturbinenanlage des Oxyfuel-Dampfkraftwerkes einspeist. Die Kopplung erfolgt in technisch einfacher Weise. Das Hybridkraftwerk wird durch eine Zeichnung erläutert.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erzeugung von Strom, Wärme und Wasserstoff bzw. Methanol durch ein abgestimmtes Betreiben von unterschiedlichen Kraftwerkstypen und entsprechenden Zusatzanlagen in einem neuen, räumlich zusammengehörigen Gesamt-Kraftwerkskomplex. Als Primärenergieträger kommen fossile Brennstoffe (vorrangig Braun- und Steinkohle sowie biogenes Brennmaterial) und Kernbrennstoffe zum Einsatz.
Es ist Stand der Technik, hocheffektive Kraftwerke zur Versorgung mit Strom und Wärme zu betreiben, die mit fossilen Brennstoffen und/oder biogenen Brennstoffen und auch mit Kernenergie arbeiten. Diese Kraftwerke unterschiedlicher Größe haben einen hohen Entwicklungsstand erreicht, ermöglichen hohe Wirkungsgrade und arbeiten zuverlässig. Kohle gilt gegenwärtig und auf Grund der großen weltweiten Vorräte auch in naher Zukunft als Hauptbrennstoff. Gleichzeitig verursacht die Kohle aber auch die höchsten spezifischen CO₂-Emissionen. Um diese zu verringern wird eine Sequestierung des CO₂ angestrebt. Dies ist mit zusätzlichen Kosten und Verschlechterung der energetischen Effizienz verbunden.
Neben Verbrennungsanlagen- wird auch Vergasungsanlagen eine größere Bedeutung beigemessen. Diese Anlagen sind gegenüber Verbrennungsanlagen wesentlich komplexer und damit teurer und auch störanfälliger, ermöglichen aber eine einfachere CO₂-Abtrennung, die Erzeugung von Wasserstoff und u. U. auch eine höher energetische Effizienz. Eine mögliche Variante ist in der DE 19802660 beschrieben. Eine Übersicht gibt Tabelle 1: Braunkohlekraftwerke der neuen Generation. Über die Perspektiven einer kohlebasierten Kraftwerkstechnologie gibt die Firma Siemens im November 2006 in der Schrift „VIK – Energietechnische Zukunftskonzepte" eine Übersicht.
Ein weiterer Trend bei Verbrennungsanlagen ist der Einsatz von technischen Sauerstoff für die Verbrennung. Dadurch vereinfacht sich die CO₂-Abtrennung beträchtlich und ausserdem verringern sich die Abgasverluste. Die Sauerstofferzeugung benötigt jedoch zusätzliche finanzielle und energetische Aufwendungen.
Es ist weiterhin bekannt, Strom und Wärme in Kernkraftwerken zu erzeugen. Der Sicherheitsstandard ist sehr hoch. Die Energieumwandlung erfolgt CO₂-frei.
Der einzige inhärent sichere Kernkraftwerkstyp ist die Ausführung mit Hochtemperaturreaktor (HTR). In der üblichen Ausführung als modularer Hochtemperaturreaktor (MHTR), ist er den anderen Reaktortypen nicht nur hinsichtlich Sicherheit sondern auch in der energetischen Effizienz entscheidend überlegen.
Die bekannten Kraftwerkstypen haben jeder für sich Vorteile und Nachteile. Ein Nachteil der Dampfkraftwerke, die mit fossilen oder biogenen Brennstoffen arbeiten, besteht in der Verschlechterung der Energieeffizienz bei CO₂ Sequestierung und für den Fall der konzentrierten Sauerstoffzufuhr in der Notwendigkeit, diesen bereitzustellen, was entweder durch Antransport oder durch vorgeschaltete Luftzerlegung möglich ist und auch praktiziert wird.
Der Nachteil eines Kernkraftwerkes ist darin zu sehen, dass bei der Erzeugung von Wasserstoff, welcher industriell stark nachgefragt wird und dessen Produktion in Zukunft CO₂-frei und preisgünstig abzusichern und zu steigern ist, eine erhebliche Menge Sauerstoff entsteht. Für diese Menge Sauerstoff ist vor Ort eine vernünftige Verwendung noch nicht sichtbar.
Dampfkraftwerke auf fossiler Basis sind hocheffektive, technisch bewährte Anlagen. Die Umwelt bedingte notwendige weitere Reduzierung des CO₂-Ausstosses durch CO₂-Abtrennung aus den Rauchgasen verursacht einen hohen Kosten- und Energieaufwand. Dieser wird reduziert mit dem Übergang zu Verbrennung mit Sauerstoff (Oxyfuel-Anlage) verringert.
Die dazu erforderliche Luftzerlegungsanlage ist allerdings auch energieaufwendig und ein Fremdkörper im Kraftwerk.
Sauerstoff, der bei der Elektrolyse z. B. mit CO₂-freien MHTR-Strom als Nebenprodukt anfällt, ist ein gefährliches Industriegas, dessen Transport oder Entsorgung Probleme bereitet.
Die Erfindung hat das Ziel, die Ökonomie und die Ökologie des mit fossilen oder auch biogenen Brennstoffen arbeitenden Kraftwerkes deutlich zu verbessern. Es soll die Chance genutzt werden, anfallenden Wasserstoff weiter zu verarbeiten, unter anderen zu gefragten Energieträgern. Bei der Herstellung von Methanol würde das anfallende CO₂ gleich genutzt werden können, wodurch zusätzliche Synergieeffekte entstehen.
Die Erfindung hat die Aufgabe, die Energiebilanz des mit fossilen oder biogenen arbeitenden Kraftwerkes wesentlich zu verbessern und die Schwachstellen seines Betriebes zu überwinden. Es ist weiterhin die Aufgabe gestellt, den Betrieb in technisch einfacher Weise effektiv zu gestalten.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass ein Hybridkraftwerk geschaffen wird, das aus zwei an sich bekannten Komponenten besteht, die miteinander in neuer und erfinderischer Weise gekoppelt werden. Es wird ein Oxyfuel-Dampfkraftwerk mit CO₂-Abtrennung vorgeschlagen, das entsprechend 1 arbeitet. Dieses wird gekoppelt mit einem MHTR-Kraftwerk, wie es in 2 dargestellt ist. Das MHTR-Kraftwerk besteht aus inhärent sicheren HTR-Modulen, das sind Hochtemperaturreaktoren oder auch Kugelbettofen genannt. Die HTR-Module sind nicht nur inhärent und proliferationssicher sowie relativ unproblematisch in der Entsorgung des Kernbrennstoffs, sondern ermöglichen auch hohe thermodynamische Wirkungsgrade und die Auskopplung von Hochtemperatur-Wärme.
Die Koppelstellen der beiden Teilkraftwerke sind die bisherigen, durch die Erfindung überwundenen Schwachstellen der beiden Einzelkraftwerke. Das ist zum ersten die Sauerstoffbereitstellung für den Oxyfuel-Prozess durch die Druckwasser- bzw. Heißdampf-Elektrolyse, die mit Strom und Wärme vom MHTR-Teil versorgt wird und zum anderen die dampfseitige Kopplung des MHTR-Prozesses mit dem Oxyfuel-Dampfkraftwerk. Während das Ausgangskraftwerk aufgrund des Oxyfuel-Prozesses, der fortschrittlichen thermodynamischen Gesamtauslegung und der Brennstoffvorbehandlung auch mit CO₂-Aushaltung hohe Wirkungsgrade erreicht, wird dies bei dem Hybridkraftwerk durch Synergieeffekte noch weiter verbessert.
Diese Synergieeffekte sind:

– effiziente Sauerstoffbereitstellung durch Druckwasser- bzw. Heißdampfelektrolyse
– die Elektrolyse stellt als gewünschtes Hauptprodukt den industriell begehrten reinen Wasserstoff her, welcher in einem Herstellungsverfahren ohne die Bildung von CO₂ entsteht und verwendet werden kann z. B. als
– Kraftstoff für Brennstoffzellen
– Kraftstoff für Motore und
– zur Weiterverarbeitung zu Flüssigkraftstoffen (z. B. Methanol).
– Reduzierung des Dampfkraftprozesses des MHTR auf den Abhitzekessel; der Dampf des Abhitzekessels wird in der Großturbinenanlage des Oxyfuel-Dampfkraftwerkes verstromt
– Verbesserung der CO₂-Bilanz und der Effizienz des Gesamtkraftwerkes.

Die Kopplung der beiden Kraftwerksteile wird an Hand einer 2 näher erläutert.
Die Einkopplung zusätzlicher Wärme in die Dampfturbinenanlage 4 des Oxyfuel-Dampfkraftwerkes aus der Abhitzekesselanlage 8 des MHTR-Kraftwerkes erfolgt technisch in der Art und Weise, dass die Dampfeinleitung z. B. an geeigneter Stelle in den MD-Teil der Hauptdampfturbine zugeführt wird. Die Anpassung der Dampftemperaturen kann z. B. durch eine Wasser-Einspritzregelung erfolgen.
Die Sauerstoffzufuhr in die Dampfkesselanlage 3 des Oxyfuel-Kraftwerkes aus der Elektrolyse erfolgt über einen Zwischenspeicher und über Dosier- und Mischeinrichtungen.
Die Kopplung der beiden Teilkraftwerke bringt viele Vorteile. Ein neuer, zukunftsträchtiger Grundstoff, der Wasserstoff wird durch Hochdruck-Wasser- oder Hochtemperatur-Wasserdampf-Elektrolyse in CO₂-freier Herstellungsart und preisgünstig zur Verfügung gestellt, wobei gleichzeitig der anfallende Sauerstoff ohne Transport sinnvoll verwendet wird.
Der gesamte Prozess des Hybridkraftwerkes ist ausnehmend umweltfreundlich und doch hoch energieeffizient. Im MHTR-Kraftwerk wird die Dampfturbine eingespart, weil der Dampf des Abhitzekessels direkt der Dampfturbine des Oxyfuel.Kraftwerkes zugeführt wird.
Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass der anfallende Wasserstoff mit dem im Verbrennungsprozess anfallenden CO₂ direkt zu Methanol weiter verarbeitet werden kann.

1: Brennstoffaufbereitung
2: Luftzerlegungsanlage
3: Dampfkesselanlage
4: Dampfturbinenanlage
5: Rauchgasaufbereitung
6: MHTR-Reaktor
7: Gasturbine
8: Abhitzekesselanlage
9: HD-Wasser- bzw. HT-Dampfelektrolyse

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- DE 19802660 [0003]

Claims

Verfahren zur Erzeugung von Strom, Wärme und Wasserstoff sowie daraus ggfs. nachfolgend Methanol, dadurch gekennzeichnet, dass ein Oxyfuel-Dampfkraftwerk mit einem MHTR-Kraftwerk dergestalt gekoppelt wird, dass im MHTR Kraftwerksteil in einem Elektrolyseverfahren entstehender Sauerstoff in die Dampfkesselanlage des Oxyfuel-Dampfkraftwerkes eingespeist wird und dass im MHTR-Kraftwerk in einer Abhitzekesselanlage entstehende Wärme der Dampfturbinenanlage des Oxyfuel-Dampfkraftwerk zugeführt wird.
Verfahren zur Erzeugung von Strom, Wärme und Wasserstoff sowie daraus ggfs. nachfolgend Methanol nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass im MHTR-Kraftwerk über Hochdruck-Wasser-Elektrolyse bzw. Hochtemperatur-Wasserdampf-Elektrolyse Sauerstoff unter Vermeidung des Entstehens von CO₂ erzeugt und dieser dem Gasstrom zugemischt wird, welcher im Oxyfuel-Dampfkraftwerk für die Verbrennung fossiler oder biogener Brennstoffe benötigt wird.
Verfahren zur Erzeugung von Strom, Wärme und Wasserstoff sowie daraus ggfs. nachfolgend /Methanol nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Dampf des Abhitzekessels des MHTR-Kraftwerkes dergestalt in den Mitteldruckteil der Hauptturbine des Oxyfuel-Kraftwerkes eingekoppelt wird, dass bei Normalbetrieb der Anlage der Abhitzekessel im Gleitdruckbetrieb gefahren wird, wobei die Druckanpassung der Dampfturbine durch Wassereinspritzung in den Dampf des Abhitzekessels erfolgt.
Hybridkraftwerk dadurch gekennzeichnet, dass ein Oxyfuel-Dampfkraftwerk mit CO₂-Abtrennung mit einem MHTR-Kraftwerk gekoppelt ist.
Hybridkraftwerk nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Kopplung in der technischen Realisierung der Übertragung von Dampf und Sauerstoff vom MHTR-Kraftwerk in das Oxyfuel-Dampfkraftwerk besteht.