DE102012219896A1 - Kraftwerk und Verfahren zu dessen Betrieb - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Kraftwerks (22) mit einer angeschlossenen Luftzerlegungsanlage (10), bei welchem eine erste Teilleistung des Kraftwerks (22) in ein elektrisches Versorgungsnetz (28) eingespeist und eine zweite Teilleistung des Kraftwerks (22) zum Betrieb zumindest eines Verdichters (12) der Luftzerlegungsanlage (10) bereitgestellt wird. Gemäß der Erfindung ist vorgesehen, dass die Summe der Teilleistungen konstant ist und, falls die zweite Teilleistung den Leistungsbedarf des zumindest einen Verdichters (12) zum Liefern der von der Luftzerlegungsanlage (10) benötigten Menge an verdichteter Luft überschreitet, überschüssige verdichtete Luft einem Druckluftspeicher (36) zugeführt wird.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Kraftwerks nach dem Oberbegriff von Patentanspruch 1 sowie ein Kraftwerk nach dem Oberbegriff von Patentanspruch 6.
  • Aufgrund des steigenden Anteils erneuerbarer Energien an der Stromproduktion kommt es zunehmend zu stochastischen Schwankungen bei der Stromeinspeisung. Um dies zu kompensieren, sind flexible Kraftwerke und variable Lasten notwendig. Konventionelle Kraftwerke sind in der Regel aufgrund ihrer langsamen Lastwechselgeschwindigkeit nur bedingt geeignet, um solche Schwankungen auszugleichen.
  • Meist werden zum Lastausgleich daher Gasturbinenkraftwerke ohne Dampfkreislauf verwendet, die sehr schnell hoch- und heruntergefahren werden können. Diese erreichen jedoch lediglich Wirkungsgrade von bestenfalls 42%. Eine weitere Möglichkeit liegt in der Speicherung von Energie. Die meisten bekannten Speichertechniken besitzen jedoch eine eingeschränkte Speicherkapazität und einen hohen Investitionsaufwand.
  • Der vorliegenden Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, eine Verfahren nach dem Oberbegriff von Patentanspruch 1 sowie ein Kraftwerk nach dem Oberbegriff von Patentanspruch 6 bereitzustellen, welche bei gutem Wirkungsgrad einen schnellen Ausgleich von Lastschwankungen im Stromnetz ermöglichen.
  • Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 sowie durch ein Kraftwerk mit den Merkmalen des Patentanspruchs 6 gelöst.
  • Bei einem solchen Verfahren zum Betreiben eines Kraftwerks mit einer angeschlossenen Luftzerlegungsanlage, wird eine erste Teilleistung des Kraftwerks in ein elektrisches Versorgungsnetz eingespeist und eine zweite Teilleistung des Kraftwerks zum Betrieb zumindest eines Verdichters der Luftzerlegungsanlage bereitgestellt.
  • Erfindungsgemäß ist dabei vorgesehen, dass die Summe der Teilleistungen konstant ist und, falls die zweite Teilleistung den Leistungsbedarf des zumindest einen Verdichters zum Liefern der von der Luftzerlegungsanlage benötigten Menge an verdichteter Luft überschreitet, überschüssige verdichtete Luft einem Druckluftspeicher zugeführt wird.
  • Luftzerlegungsanlagen nach dem Linde-Verfahren benötigen leistungsstarke Kompressoren zum Verdichten der zu zerlegenden Luft. Aufgrund des hohen Energiebedarfs werden solchen Anlagen meist eigene Kraftwerke zugeordnet, die überschüssige Energie an das Stromversorgungsnetz abgeben.
  • In der erfindungsgemäßen Verbindung mit einem Druckluftspeicher kann ein solches System aus Kraftwerk und Luftzerlegungsanlage genutzt werden, um Schwankungen im Strombedarf des Versorgungsnetzes und stochastische Schwankungen von auf erneuerbaren Energien beruhenden Einspeisern auszugleichen.
  • Dies kann mit besonders geringen Investitionskosten realisiert werden, da der für die Druckluftspeicherung benötigte Verdichter ohnehin schon von der Luftzerlegungsanlage bereitgestellt wird, so dass lediglich ein geeignet dimensionierter Druckluftspeicher hinzugefügt werden muss.
  • Gleichzeitig erlaubt das erfindungsgemäße Verfahren einen besonders effizienten Betrieb des Kraftwerks. Da die vom Kraftwerk abgegebene Gesamtleistung konstant ist und lediglich nach Bedarf zwischen Stromversorgungsnetz und Luftzerlegungsanlage verteilt wird, kann das Kraftwerk ständig mit optimalem Wirkungsgrad betrieben werden. Wirkungsgradverluste aufgrund häufiger Lastwechsel treten also trotz der Flexibilität des Kraftwerks nicht auf.
  • Es ist ferner zweckmäßig, falls die zweite Teilleistung den Leistungsbedarf des zumindest einen Verdichters zum Liefern der von der Luftzerlegungsanlage benötigten Menge an verdichteter Luft unterschreitet, der Luftverflüssigungsanlage verdichtete Luft aus dem Druckluftspeicher zuzuführen.
  • Dies ermöglicht es, Lastspitzen im Netz auszugleichen, ohne dass der Betrieb der Luftzerlegungsanlage beeinträchtigt wird.
  • Ein besonders guter Wirkungsgrad kann ferner erreicht werden, wenn das Kraftwerk in einem konstanten Arbeitspunkt betrieben wird, was aufgrund der konstanten Leistungsabgabe problemlos möglich ist.
  • In weiterer Ausgestaltung der Erfindung wird das Kraftwerk in einem Kombi-Prozess mit integrierter Vergasung betrieben. Solche Kraftwerke sind besonders effizient.
  • Die Erfindung betrifft ferner ein Kraftwerk mit einer angeschlossenen Luftzerlegungsanlage, welches elektrisch mit einem Stromversorgungsnetz und zumindest einem Verdichter der Luftzerlegungsanlage gekoppelt ist.
  • Erfindungsgemäß ist dabei vorgesehen, dass der zumindest eine Verdichter auf seiner Druckseite (41) fluidisch mit einer weiteren Komponente der Luftzerlegungsanlage sowie mit einem Druckluftspeicher gekoppelt ist.
  • Dies ermöglicht die Durchführung des oben beschriebenen Verfahrens. Wird der Luftzerlegungsanlage vom Kraftwerk mehr Leistung zur Verfügung gestellt, als für die Produktion von verdichteter Luft benötigt wird, so kann überschüssige Druckluft in den Speicher abgeleitet und dort für späteren Bedarf vorgehalten werden. Hierfür ist der Druckluftspeicher zweckmäßigerweise fluidisch mit der weiteren Komponente der Luftzerlegungsanlage gekoppelt ist.
  • Um die obenstehend anhand des erfindungsgemäßen Verfahrens erläuterten Vorteile apparativ zu realisieren, ist zweckmäßigerweise eine Steuervorrichtung zum Einstellen eines Strömungsverhältnisses zwischen Teilluftströmen von dem zumindest einen Verdichter zu der weiteren Komponente und dem Druckluftspeicher, sowie zwischen Teilluftströmen von dem zumindest einen Verdichter zu der weiteren Komponente und vom Druckluftspeicher zu der weiteren Komponente vorgesehen.
  • Die Steuervorrichtung ist ferner vorteilhafterweise zum Einstellen eines Verhältnisses zwischen einer ersten Teilleistung, die vom Kraftwerk an das elektrische Versorgungsnetz bereitstellbar ist, und einer zweiten Teilleistung, die vom Kraftwerk an den zumindest einen Verdichter bereitstellbar ist, ausgelegt. Auch hier ergeben sich die bereits anhand des Verfahrens erläuterten Vorteile.
  • Aus Effizienzgründen wird das Kraftwerk vorzugsweise in einem Kombi-Prozess mit integrierter Vergasung betrieben, wie bereits obenstehend ausgeführt.
  • Im Folgenden werdend die Erfindung und ihre Ausführungsformen anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:
  • 1 eine schematische Darstellung eines Verbunds aus Kraftwerk und Luftzerlegungsanlage nach dem Stand der Technik; und
  • 2 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Kraftwerks im Verbund mit einer Luftzerlegungsanlage.
  • Eine Luftzerlegungsanlage 10 umfasst einen Verdichter 12, dem über eine Leitung 14 Luft zugeführt wird. Die verdichtete Luft wird über eine weitere Leitung 16 der eigentlichen Zerlegungsanlage 18 zugeführt, in welcher die verdichtete Luft abgekühlt, verflüssigt und mittels mehrerer Kolonnen in ihre Bestandteile zerlegt wird, die über nur schematisch gezeigte Leitungen 20 zur Abfüllung oder zur direkten Verwendung in weiteren Prozessen gefördert werden.
  • Da der Verdichter 12 einen Leistungsbedarf im hohen Megawattbereich aufweist, ist der Luftzerlegungsanlage 10 ein Kraftwerk 22 zugeordnet, welches in einem Kombi-Prozess mit integrierter Vergasung betrieben wird. Dem Kraftwerk 22 wird über eine Leitung 24 Verbrennungsluft und über eine weitere Leitung 26 Brenngas aus der integrierten Vergasung zugeleitet.
  • Da das Kraftwerk 22 meist mit höherer Nennleistung ausgelegt ist, als vom Verdichter 12 benötigt, ist das Kraftwerk 22 ferner an ein Stromversorgungsnetz 28 gekoppelt, über welches weitere Haushalts- oder industrielle Verbraucher mit elektrischer Energie versorgt werden.
  • Da die Leistungsanforderung der Verbraucher im Stromversorgungsnetz 28 schwankt, wie im Graph 30 gezeigt, die Leistungsanforderung des Verdichters 12 jedoch konstant bleibt (Graph 32), muss bei einem Kraftwerk 22 nach dem Stand der Technik die Leistungsabgabe ständig in Abhängigkeit vom Leistungsbedarf des Stromnetzes 28 bzw. von der ebenfalls schwankenden Einspeiseleistung anderer Kraftwerke nachgeregelt werden (Graph 34). Dies führt jedoch dazu, dass das Kraftwerk 22 meist nicht in seinem optimalen Arbeitspunkt betrieben werden kann, so dass der Wirkungsgrad suboptimal ist.
  • Um den Wirkungsgrad zu verbessern, kann, wie in 2 gezeigt, die Luftzerlegung mit einer Druckluftspeicherung verknüpft werden. Hierzu wird ein Druckluftspeicher 36 über eine Leitung 38 auf der Druckseite 41 des Verdichters 12 der Luftzerlegungsanlage 10 eingekoppelt. Über entsprechende, in der Figur nicht dargestellte Ventile kann die Strömungsrichtung zwischen Druckluftspeicher 36 und Luftzerlegungsanlage 10 eingestellt werden.
  • Die Druckluftspeicherung erlaubt es, das Kraftwerk 22 unabhängig vom Last- und Einspeisezustand des Stromversorgungsnetzes 28 in einem konstanten Arbeitspunkt und damit bei optimalem Wirkungsgrad zu betreiben (Graph 40). Anstelle die Kraftwerksleistung zu variieren, wird die an den Verdichter 12 abgegebene Leistung variiert (Graph 42), um den schwankenden Leistungsbedarf des Stromversorgungsnetzes 28 auszugleichen (Graph 34).
  • Da die weiteren Komponenten 18 der Luftzerlegungsanlage 10 jedoch einen konstanten Bedarf an verdichteter Luft benötigen, wird die resultierende Schwankung der Verdichtungsleistung des Verdichters 12 durch den Druckluftspeicher ausgeglichen.
  • Für den Fall, dass die Summe des Leistungsbedarfs der Luftzerlegungsanlage 10 und des Stromversorgungsnetzes 28 nicht der Ausgangsleistung des Kraftwerks 22 entspricht, existieren zwei Möglichkeiten.
  • Bei geringem Leistungsbedarf im Stromversorgungsnetz 28 erhält der Verdichter 12 mehr Leistung als benötigt wird, um die Luftzerlegungsanlage 10 mit komprimierter Luft zu versorgen. In diesem Fall wird überschüssige verdichtete Luft produziert, die dem Druckluftspeicher 36 zugeführt wird.
  • Bei hoher Leistungsanforderung im Stromversorgungsnetz 28 steht dagegen nicht genügend Leistung zur Verfügung, um die Luftzerlegungsanlage 10 mit der nötigen Menge an verdichteter Luft zu versorgen. In diesem Fall kann dem Druckluftspeicher 36 vorher produzierte verdichtete Luft entnommen und den weiteren Komponenten 18 der Luftzerlegungsanlage zugeführt werden.
  • Auf diese Weise können insbesondere Schwankungen des Strombedarfs im Stromversorgungsnetz ausgeglichen werden, die durch die stochastische Einspeisecharakteristik von erneuerbaren Energiequellen, wie beispielsweise Wind- oder Solarkraftwerken, hervorgerufen werden. Da in der Luftzerlegungsanlage 10 ohnehin ein Verdichter 12 vorhanden ist, beschränken sich die nötigen Investitionen auf den Druckluftspeicher 36 selbst. Je nach Skala der Anlage kann es sich bei diesem um einen einfachen Druckbehälter handeln. Für Anlagen mit höherer Kapazität können jedoch auch unterirdische Druckluftspeicher 36, wie beispielsweise ausgespülte Hohlräume in Salzdomen, von entsprechenden Deckschichten abgeschlossene Aquifere oder dgl. verwendet werden.

Claims (10)

  1. Verfahren zum Betreiben eines Kraftwerks (22) mit einer angeschlossenen Luftzerlegungsanlage (10), bei welchem eine erste Teilleistung des Kraftwerks (22) in ein elektrisches Versorgungsnetz (28) eingespeist und eine zweite Teilleistung des Kraftwerks (22) zum Betrieb zumindest eines Verdichters (12) der Luftzerlegungsanlage (10) bereitgestellt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Summe der Teilleistungen konstant ist und, falls die zweite Teilleistung den Leistungsbedarf des zumindest einen Verdichters (12) zum Liefern der von der Luftzerlegungsanlage (10) benötigten Menge an verdichteter Luft überschreitet, überschüssige verdichtete Luft einem Druckluftspeicher (36) zugeführt wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass falls die zweite Teilleistung den Leistungsbedarf des zumindest einen Verdichters (12) zum Liefern der von der Luftzerlegungsanlage (10) benötigten Menge an verdichteter Luft unterschreitet, der Luftverflüssigungsanlage (10) verdichtete Luft aus dem Druckluftspeicher (36) zugeführt wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein Verhältnis zwischen der ersten und zweiten Teilleistung in Abhängigkeit von einem Leistungsbedarf des elektrischen Versorgungsnetzes (28) eingestellt wird.
  4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Kraftwerk (22) in einem konstanten Arbeitspunkt betrieben wird.
  5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Kraftwerk (22) in einem Kombi-Prozess mit integrierter Vergasung betrieben wird.
  6. Kraftwerk (22) mit einer angeschlossenen Luftzerlegungsanlage (22), welches elektrisch mit einem Stromversorgungsnetz (28) und zumindest einem Verdichter (12) der Luftzerlegungsanlage (10) gekoppelt ist, dadurch gekennzeichnet, dass der zumindest eine Verdichter (12) auf seiner Druckseite (41) fluidisch mit einer weiteren Komponente (18) der Luftzerlegungsanlage (10) sowie mit einem Druckluftspeicher (36) gekoppelt ist.
  7. Kraftwerk (22) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Druckluftspeicher (36) fluidisch mit der weiteren Komponente (18) der Luftzerlegungsanlage (10) gekoppelt ist.
  8. Kraftwerk (22) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass eine Steuervorrichtung zum Einstellen eines Strömungsverhältnisses zwischen Teilluftströmen von dem zumindest einen Verdichter (12) zu der weiteren Komponente (18) und dem Druckluftspeicher (36), sowie zwischen Teilluftströmen von dem zumindest einen Verdichter (12) zu der weiteren Komponente (18) und vom Druckluftspeicher (36) zu der weiteren Komponente (18) vorgesehen ist.
  9. Kraftwerk (22) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuervorrichtung zum Einstellen eines Verhältnisses zwischen einer ersten Teilleistung, die vom Kraftwerk (22) an das elektrische Versorgungsnetz (28) bereitstellbar ist, und einer zweiten Teilleistung, die vom Kraftwerk (22) an den zumindest einen Verdichter (12) bereitstellbar ist, ausgelegt ist.
  10. Kraftwerk (22) nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Kraftwerk (22) in einem Kombi-Prozess mit integrierter Vergasung betreibbar ist.
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