DE102011120704B4

DE102011120704B4 - Dampf-/Arbeitsprozess ohne Regenerator mit Erhitzerkaskade für die Elektroenergieerzeugung im Kreisprozess

Info

Publication number: DE102011120704B4
Application number: DE102011120704.3A
Authority: DE
Inventors: Auf Nichtnennung Antrag
Original assignee: RERUM COGNITIO GES fur MARKTINTEGRATION DEUTSCHER INNOVATIONEN und FORSCHUNGSPRODUKTE MBH; Rerum Cognitio Gesellschaft fur Marktintegration Deutscher Innovationen und Forschungsprodukte Mbh
Current assignee: RERUM COGNITIO GES fur MARKTINTEGRATION DEUTSCHER INNOVATIONEN und FORSCHUNGSPRODUKTE MBH; Rerum Cognitio Gesellschaft fur Marktintegration Deutscher Innovationen und Forschungsprodukte Mbh
Priority date: 2011-12-12
Filing date: 2011-12-12
Publication date: 2019-03-21
Anticipated expiration: 2031-12-13
Also published as: DE102011120704A1

Abstract

Dampf-/Arbeitsprozess ohne Regenerator mit Erhitzerkaskade für die Elektroenergieerzeugung im Kreisprozess, bestehend aus Axialverdichter (1), externer Erhitzer (2), interner Erhitzer (3), Axialturbine (4), Kondensator (5), Kondensataufbereitung (6), Kondensatpumpe (7), Welle (8), Generator (9), und betrieben mit dem Arbeitsfluid Wasserdampf (13) und Kühlfluid Wasser (14), dadurch gekennzeichnet, dass das aus dem gekühlten Axialverdichter (1) kommende Arbeitsfluid Wasserdampf (13) in den externen Erhitzer (2) strömt und darin bis in den von Materialbelastung und Stickoxidbildung beeinflussten optimalen Temperaturbereich erwärmt wird, wobei Verbrennungsgase und Arbeitsfluid durch Wärmeübertragerflächen getrennt sind, wodurch Biomasse, Holz, Kohle, Müll, diverse Brenngase, Öl, Ethanol und Sonnenstrahlung als Energiequelle mit den erforderlichen peripheren Anlagen nutzbar werden.

Description

Die Erfindung betrifft ein auf den Wasser-Dampf-Kombiprozess (WDK-Prozess) bezogenes thermisches Verfahren, welches bei ähnlicher Effizienz ohne Regenerator auskommt, dabei mittels Erhitzerkaskade diverse Brennstoffe gleichzeitig nutzen kann und somit die Anwendungsbreite verbessert. Eine derartige Lösung wird in erster Linie im Bereich der Energiewirtschaft benötigt.
Mit dem Ausstieg aus der Atomenergiewandlung wächst der Bedarf an alternativer Elektroenergiegewinnung. Wind und Sonne stehen neben der Biomasse, Geothermie und Wasserkraft hierfür zur Verfügung. Probleme bereiten die Abstimmungen zwischen dem Aufkommen von Wind und Sonne mit dem Bedarf an Elektroenergie im Netz. Die vorhandenen Divergenzen bedürfen Ausgleich. Moderne zukünftige Kraftwerksprozesse müssen leistungsflexibel bei hoher Effizienz und niedrigen Emissionen arbeiten können. Der in den Offenlegungsschriften DE 198 56 448 A1 , DE 100 55 202 A1 , DE 10 2004 025 846 A1 vorgeschlagene Wasser-Dampf-Kombi-Prozess verbindet den Arbeits- und Kühlprozess in einem geschlossenen Gasturbinenprozess durch die Nutzung des Arbeitsfluids Wasserdampf bzw. des Kühlfluids Wasser. Die bisherigen Prozessvarianten können entweder das Arbeitsfluid Wasserdampf extern durch Wärmeübertragerflächen oder intern durch Direktverbrennung von Wasserstoff und Sauerstoff beheizen. In DE 103 31 988 A1 erfolgt die innere Verbrennung gasförmiger Brennstoffe im Erhitzer nach dem Regenerator, der den Prozessverlauf verkompliziert, Druckverluste verursacht und die Anlagenkosten erhöht. Auch die Patente US 5 177 952 A und WO 97/ 06 352 A1 nutzen vorgeschaltete Regeneratoren bzw. Rekuperatoren,
wobei sich die Verbrennungsart, ob katalytisch oder mit Flamme im Erhitzer, voneinander unterscheidet. Beide Patente nutzen für die Verbrennung nur Wasserstoff und Sauerstoff.
Nun begrenzen bei der externen Energiezufuhr die Wärmeübertrager-Materialien und die bei der Verbrennung entstehenden Stickoxide die ProzessEffizienz. Einerseits ermöglicht die externe Verbrennung einen vielfältigen Brennstoffeinsatz, ob Biomasse, Gas, Müll, Öl, Sonne, Kohle oder Holz, andererseits kommt das mögliche Kühlpotential gar nicht voll zum Tragen. Bei der internen Verbrennung hingegen lassen sich durch den Direktkontakt von Arbeitsfluid und Abgas die höchsten Temperaturen erzielen, benötigen aber gespeicherten und demnach nicht unbegrenzten Wasserstoff und Sauerstoff aus der Elektrolyse disparater Strommengen, die mit dem Ausbau der Solar- und Windenergie immer mehr werden. Bestünde die Möglichkeit, die Vorzüge beider Erhitzertypen zu verbinden, würde das die Anwendungsbreite verbessern.
Es ist deshalb Aufgabe der Erfindung, den Prozessverlauf so zu verändern, dass die Vorzüge der externen und internen Verbrennung in einem Prozesszyklus genutzt werden können.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß im Wesentlichen durch die kennzeichnenden Merkmale der Ansprüche 1 bis 4 gelöst. Nach der Verdichtung nah an der Taulinie tritt das Arbeitsfluid in den Erhitzer mit externer Verbrennung. Dabei wird es im optimalen Temperaturbereich unter Berücksichtigung der Stickoxidbildung und der Materialbelastung von ca. 240°C auf ca. 900 °C bei moderaten Drücken bei ca. 30 bar von diversen Brennstoffen erwärmt. Danach folgt die interne Verbrennung von aus der Elektrolyse stammenden und zwischengespeicherten Wasserstoff und Sauerstoff als Nachbrenner, der nur noch den heißen Teil der Erwärmung übernehmen muss und somit direktverbrennbaren Brennstoff spart. Mit der sogenannten Erhitzerkaskade lässt sich der maximale Temperaturbereich nutzen, was auch die Prozesseffizienz maximiert. Der externe Erhitzer liefert relativ konstant die Grundlast und der modulierbare Nachbrenner sorgt für sekundenschnelle Leistungsanpassung durch eine Brenngas-Mengenregelung. Da die Turbine intern im WDK-Prozess durch Oberflächenverdampfung gekühlt wird, bleibt die Maschinen-Kerntemperatur unabhängig von der Arbeitsfluid-Temperatur etwa konstant, was sich positiv auf das Ausdehnungsverhalten der Turbine bei Lastwechsel auswirkt. Mit steigender Temperatur nimmt nur die Menge des verdampfenden regelbaren Kühlfluids Wasser zu.
Die vorgeschlagene Erhitzerkaskade löst somit die gestellten Aufgaben, indem die Vorzüge der externen und internen Verbrennung gleichermaßen genutzt werden, dabei weniger Wasserstoff und Sauerstoff verbrauchen, da nur der gut regelbare Nachbrennerbereich diesen benötigen. Wenn auch der Nachbrenner im Vergleich zur nur externen Verbrennung einen höheren Bauaufwand verlangt, so verbessert sich die Prozesseffizienz durch höhere Temperaturen und die Option, Wasserstoff und Sauerstoff aus der indirekten Stromspeicherung zu nutzen und löst somit wichtige Aufgaben in der zukünftigen Strombedarfsanpassung.

1 ein schematisches Blockschaltbild des Dampf-/Arbeitsprozess ohne Regenerator mit Erhitzerkaskade

Bezugszeichenliste

1: Axialverdichter
2: externer Erhitzer
3: interner Erhitzer
4: Axialturbine
5: Kondensator
6: Kondensataufbereitung
7: Kondensatpumpe
8: Welle
9: Generator
10: Wasserstoff
11: Sauerstoff
12: Brenngaskondensat
13: Arbeitsfluid Dampf
14: Kühlfluid Wasser

Claims

Dampf-/Arbeitsprozess ohne Regenerator mit Erhitzerkaskade für die Elektroenergieerzeugung im Kreisprozess, bestehend aus Axialverdichter (1), externer Erhitzer (2), interner Erhitzer (3), Axialturbine (4), Kondensator (5), Kondensataufbereitung (6), Kondensatpumpe (7), Welle (8), Generator (9), und betrieben mit dem Arbeitsfluid Wasserdampf (13) und Kühlfluid Wasser (14), dadurch gekennzeichnet, dass das aus dem gekühlten Axialverdichter (1) kommende Arbeitsfluid Wasserdampf (13) in den externen Erhitzer (2) strömt und darin bis in den von Materialbelastung und Stickoxidbildung beeinflussten optimalen Temperaturbereich erwärmt wird, wobei Verbrennungsgase und Arbeitsfluid durch Wärmeübertragerflächen getrennt sind, wodurch Biomasse, Holz, Kohle, Müll, diverse Brenngase, Öl, Ethanol und Sonnenstrahlung als Energiequelle mit den erforderlichen peripheren Anlagen nutzbar werden.
Dampf-/Arbeitsprozess ohne Regenerator mit Erhitzerkaskade für die Elektroenergieerzeugung im Kreisprozess nach dem Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass das vorgewärmte Arbeitsfluid aus dem externen Erhitzer (2) kommend in den internen Erhitzer (3) strömt und es dort direkt durch die Verbrennung von Wasserstoff (10) und Sauerstoff (11) in Wasserdampfatmosphäre bis auf die erforderliche oder bei Volllast auf die Maximaltemperatur erwärmt wird, wobei sich das Verbrennungsgas Wasserdampf mit dem Arbeitsfluid Wasserdampf (13) vermischt.
Dampf-/Arbeitsprozess ohne Regenerator mit Erhitzerkaskade für die Elektroenergieerzeugung im Kreisprozess nach dem Anspruch 1 und 2 dadurch gekennzeichnet, dass der interne Erhitzer (3) nur als Nachbrenner fungiert, dass er trotz Maximaltemperatur dadurch weniger Wasserstoff und Sauerstoff verbraucht, dabei eine gute Regelbarkeit durch Flammenmodulation gewährleistet und somit die Prozesseffizienz auch bei Brennstoffen mit erforderlicher Abgastrennung erhöht.
Dampf-/Arbeitsprozess ohne Regenerator mit Erhitzerkaskade für die Elektroenergieerzeugung im Kreisprozess nach dem Anspruch 1 bis 3 dadurch gekennzeichnet, dass die in den Prozess zugeführte Brenngasmenge nach der Entspannung in der Turbine (4) durch den Kondensator (5) verflüssigt, anschließend in der Kondensataufbereitung (6) gereinigt und von der Kondensatpumpe (7) druckangepasst als Brenngaskondensat (12) zur Elektrolyse gefördert wird.