DE102018123417A1

DE102018123417A1 - Verfahren zum Betrieb eines Kraftwerkes zur Erzeugung von elektrischer Energie durch Verbrennung eines kohlenstoffhaltigen Brennstoffs und entsprechendes System zum Betreiben eines Kraftwerkes

Info

Publication number: DE102018123417A1
Application number: DE102018123417.1A
Authority: DE
Inventors: Peter Moser; Georg Wiechers; Sandra Schmidt; Knut Stahl
Original assignee: RWE Power AG
Current assignee: RWE Power AG
Priority date: 2018-09-24
Filing date: 2018-09-24
Publication date: 2020-03-26
Also published as: US20210363899A1; EP3857032A1; EP3857032B1; DK3857032T3; US11913360B2; LT3857032T; WO2020064156A1

Abstract

Beansprucht wird ein Verfahren zum Betrieb eines Kraftwerkes (1) zur Erzeugung von elektrischer Energie zur Abgabe an mindestens einen Verbraucher (16) durch Verbrennung eines Kohlenstoffhaltigen Brennstoffs, wobei Kohlendioxid (19) aus dem Rauchgas (7) des Kraftwerkes (1) abgeschieden wird, wobei das abgeschiedene Kohlendioxid (19) zumindest teilweise zu einem Kraftstoff (20) umgesetzt wird, welches sich dadurch auszeichnet, dass zumindest zeitweise der Kraftstoff (20) in mindestens einer Wärmekraftmaschine (4) unter Bildung eines Abgases (8) verbrannt wird, wobei durch die Wärmekraftmaschine (4) elektrische Energie erzeugt wird, die an mindestens einen Verbraucher (16) abgegeben wird, wobei zumindest ein Teil der thermischen Energie des Abgases (8) in mindestens einem der folgenden Prozesse eingesetzt wird:a) zum Anwärmen einer Verbrennungsluft (10) eines Kraftwerks (1);b) zum Anwärmen eines Prozessmediums (14) des Kraftwerks (1);c) in einer Trocknung des Brennstoffs des Kraftwerks (1); undd) in einer Kohlendioxid-Abscheidung.

Description

Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zum Betrieb eines Kraftwerkes zur Erzeugung von elektrischer Energie zur Abgabe an mindestens einen Verbraucher durch Verbrennung eines kohlenstoffhaltigen Brennstoffs mit einer Kohlendioxidabscheidung und ein entsprechendes System zum Betreiben eines solchen Kraftwerks.
Kraftwerke zur Erzeugung von elektrischer Energie durch Verbrennung kohlenstoffhaltiger Brennstoffe sind seit langem bekannt. Es wird angenommen, dass das dabei entstehenden Kohlendioxid (CO₂) einen relevanten Anteil an der zu beobachtenden Erwärmung der Erdatmosphäre hat. Um die Emission von Kohlendioxid durch fossil befeuerte Kraftwerke zu reduzieren wird in vielen Ländern angestrebt, fossile Energie, also Energie, die durch die Verbrennung fossiler Brennstoffe wie insbesondere Kohle, Erdöl oder Erdgas, entsteht, zumindest teilweise durch regenerative Energien, beispielsweise aus Windenergieanlagen, Photovoltaikanlagen, der Verstromung von Biomasse und/oder aus der Nutzung von Wasserkraft, zu ersetzen. Diese Energien sind jedoch stark fluktuierend und abhängig von Umweltbedingungen, auf die nur bedingt Einfluss genommen werden kann. Gleichzeitig ist die Netzstabilität im Stromnetz von entscheidender Bedeutung, da Änderungen der Netzfrequenz durch Fluktuationen in der Stromerzeugung zu Ausfällen und zu teils erheblichen Schäden führen können. Dies ist insbesondere dann problematisch, wenn Lastspitzen und/oder eine plötzliche Reduktion der in das entsprechende Stromnetz eingespeisten elektrischen Energie vorliegen. Dies hat in vielen Ländern zu der Entscheidung geführt, zumindest einen Teil der notwendigen Energie zumindest für einen gewissen Zeitraum weiterhin aus fossilen Energieträgern zu erzeugen.
Um die Emission des dabei entstehenden Kohlendioxids zu reduzieren ist es weiterhin bekannt, Kohlendioxid aus dem Rauchgas eines fossil befeuerten Kraftwerks abzuscheiden und das erzeugte Kohlendioxid entweder zu speichern oder weiterzuverwenden. So ist es beispielsweise aus der DE 10 2010 010 540 A bekannt, ein mit Braunkohle befeuertes Dampfturbinenkraftwerk mit einer Gaswäsche zur Abscheidung von Kohlendioxid zu kombinieren und die Gaswäsche und eine Trocknung der Braunkohle so zu betreiben, dass ein Teil der Abwärme der Gaswäsche und/oder der Trocknung für die Vorwärmung von Verbrennungsluft und/oder des Kesselspeisewassers genutzt wird. Trotz der durch den in diesem Dokument beschriebenen Effizienzsteigerung besteht weiterhin das Bedürfnis, den Gesamtwirkungsgrad eines fossil befeuerten Kraftwerks mit anschließender Kohlendioxidabscheidung zu verbessern, um die an die Atmosphäre abgegebene Menge des Kohlendioxids weiter zu verringern.
Hiervon ausgehend liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, die aus dem Stand der Technik bekannten Nachteile zumindest teilweise zu überwinden und insbesondere eine Verbesserung des Gesamtwirkungsgrades eines Kraftwerkes mit nachgelagerter Kohlendioxidabscheidung zu erreichen.
Diese Aufgaben werden gelöst durch die unabhängigen Ansprüche. Abhängige Ansprüche sind auf vorteilhafte Weiterbildungen gerichtet. Es ist darauf hinzuweisen, dass die in den abhängigen Patentansprüchen einzeln aufgeführten Merkmale in beliebiger, technologisch sinnvoller Weise miteinander kombiniert werden können und weitere Ausgestaltungen der Erfindung definieren. Darüber hinaus werden die in den Patentansprüchen angegebenen Merkmale in der Beschreibung näher präzisiert und erläutert, wobei weitere bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung dargestellt werden.
Das erfindungsgemäße Verfahren zum Betrieb eines Kraftwerkes zur Erzeugung von elektrischer Energie zur Abgabe an mindestens einen Verbraucher durch Verbrennung eines Kohlenstoffhaltigen Brennstoffs, wobei Kohlendioxid aus dem Rauchgas des Kraftwerkes abgeschieden wird, wobei das abgeschiedene Kohlendioxid zumindest teilweise zu einem Kraftstoff umgesetzt wird, zeichnet sich dadurch aus, dass zumindest zeitweise der Kraftstoff in mindestens einer Wärmekraftmaschine unter Bildung eines Abgases verbrannt wird, wobei durch die Wärmekraftmaschine elektrische Energie erzeugt wird, die an mindestens einen Verbraucher abgegeben wird, wobei zumindest ein Teil der thermischen Energie des Abgases in mindestens einem der folgenden Prozesse eingesetzt wird:

a) zum Anwärmen einer Verbrennungsluft eines Kraftwerks;
b) zum Anwärmen eines Prozessmediums des Kraftwerks;
c) in einer Trocknung des Brennstoffs des Kraftwerks; und
d) in einer Kohlendioxid-Abscheidung.

Unter einem Kohlenstoffhaltigen Brennstoff werden bevorzugt fossile Brennstoffe wie Kohle, insbesondere Braunkohle oder Steinkohle, Erdöl und/oder Erdgas, sowie Biomasse und Reststoffe wie Teere, Müll und/oder Produktionsabfälle verstanden. Die Ausbildung einer Wärmekraftmaschine zur Erzeugung von elektrischer Energie erlaubt insbesondere eine Erhöhung der Stromabgabe des Systems aus Kraftwerk und Wärmekraftmaschine bei Lastspitzen. Eine Wärmekraftmaschine ist schnell anfahrbar und ist in Bezug auf die abgegebene Strommenge in weiten Bereichen steuerbar, was für übliche fossil befeuerte Kraftwerke nicht oder nur eingeschränkt gilt. Dadurch ist es möglich, bei Lastspitzen und/oder beim Einbruch der in ein Stromnetz eingespeisten Energie insbesondere aus regenerativen Energiequellen schnell zu reagieren, um so die Netzstabilität zu gewährleisten.
Gleichzeitig erlaubt die Entstehung von warmem Abgas in der Wärmekraftmaschine eine flexible Nutzung der darin enthaltenen thermischen Energie zur weiteren Erhöhung des Wirkungsgrades des Gesamtsystems aus Kraftwerk, Kohlendioxidabscheidung, Kraftstoffsynthese und gegebenenfalls weiteren Komponenten wie einer Brennstoffaufbereitung oder Brennstofftrocknung.
Unter dem Anwärmen einer Verbrennungsluft eines Kraftwerks wird insbesondere verstanden, dass die in einer Feuerung des Kraftwerkes, beispielweise einer Kohlenstaubfeuerung, eingesetzte Verbrennungsluft vor Einströmen in die Feuerung erwärmt wird. Hierbei kann das Anwärmen in einem Luftvorwärmer erfolgen, der beispielsweise durch Rauchgas des Kraftwerkes betrieben wird und dem nun zumindest zeitweise Abgas der Wärmekraftmaschine zugeführt wird, so dass die Temperatur und/oder der Volumenstrom des Gemisches von Rauchgas und Abgas erhöht werden kann.
Unter dem Anwärmen des Prozessmediums des Kraftwerks wird insbesondere die Anwärmung von Wasser verstanden, welches zur Dampferzeugung durch die Feuerung des Kraftwerkes erhitzt wird und welches beispielsweise nach Durchströmen der Feuerung als Dampf unter Druck mindestens einer Turbine zur Entspannung bei gleichzeitiger Stromerzeugung zugeführt wird.
Unter dem Einsatz in einer Trocknung des Brennstoffs des Kraftwerks wird verstanden, dass die Abwärme des Abgases der Wärmekraftmaschine in der Trocknung des Brennstoffs eingesetzt wird. Dies ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn ein kohlenbefeuertes Kraftwerk betrachtet wird, da insbesondere Braunkohle vor der Verstromung trocknen muss. Insbesondere bei staubbefeuerten Kraftwerken kann die Trocknung auch eine Mahlung umfassen. Auch bei der Verstromung von Biomasse ist es vorteilhaft möglich, diese vor Zuführung zur Feuerung zumindest teilweise durch die Abwärme der Wärmekraftmaschine zu trocknen.
Unter dem Einsatz in einer Kohlendioxid-Abscheidung wird insbesondere verstanden, dass die Abwärme als Wärmequelle in einem solchen Kohlendioxid-Abscheidungsprozess dient. Insbesondere in einem zyklischen Absorptions-Desorptions-Prozess kann die Abwärme die Aufheizung eines Lösungsmittelstroms zumindest teilweise mit Energie versorgen, so dass ein Eintrag anderer Energie, beispielsweise über heißen Dampf, reduziert werden kann.
Die genannten Maßnahmen führen jeweils zu einer zu einer Reduktion der Energie, die aus anderen Quellen zuzuführen ist. Dadurch erhöht sich der Gesamtwirkungsgrad des Gesamtsystems.
Bevorzugt ist eine Ausgestaltung, bei der das Abgas dem Rauchgas des Kraftwerks zugeführt wird.
Rauchgas und zumindest ein Teil des Abgases werden somit gemischt. Da dem Rauchgas regelmäßig aus Gründen der Effizienzsteigerung zumindest ein Teil seiner Abwärme entnommen wird, kann so in einfacher Weise eine Erhöhung des Wirkungsgrades des Gesamtsystems erreicht werden, da durch die Zumischung des Abgases eine Anpassung der Temperatur des Gemisches, bevorzugt eine Erhöhung der Temperatur des Gemisches, erreicht werden kann und eine thermische Nutzung in bereits bestehenden Einrichtungen wie Wärmeaustauschern erfolgen kann. Die Zumischung zum Rauchgas erfolgt dabei auch bevorzugt nachdem bereits ein Teil der Abwärme des Abgases für mindestens einen der Prozesse a) bis d) verwendet wurde.
Bevorzugt ist es in diesem Zusammenhang, dass das Abgas dem Rauchgas zugeführt wird, bevor dieses zumindest einem der folgenden Prozesse zugeführt wird:

i) einem Anwärmen der Verbrennungsluft des Kraftwerkes;
ii) einem Anwärmen mindestens eines Prozessmediums des Kraftwerkes; und
iii) einer Kohlendioxidabscheidung.

Grundsätzlich umfasst das Prozessmedium bevorzugt Wasser und/oder Wasserdampf. Wasserdampf und Wasser werden regelmäßig im Kreislauf als Prozessmedium durch die Feuerung des Kraftwerkes erwärmt, um durch den erzeugten unter Druck stehenden Wasserdampf mindestens eine Turbine zur Stromerzeugung anzutreiben, wodurch der Dampf entspannt und gegebenenfalls zumindest teilweise zu Wasser kondensiert wird, welches dann wieder erwärmt und verdampft wird. Durch die Durchführung einer Kohlendioxidabscheidung zur Abscheidung des Kohlendioxids aus dem Rauchgas und dem Abgas kann ein Kohlendioxidkreislauf erreicht werden, da das Kohlendioxid aus dem Abgas, welches durch die Verbrennung des aus dem abgeschiedenen Kohlendioxid erzeugten Kraftstoffs entsteht, erneut abgeschieden werden kann.
Durch die Zumischung zumindest eines Teils des Abgases zum Rauchgas vor dem Anwärmen von Verbrennungsluft und/oder Prozessmedium kann der Wirkungsgrad des entsprechenden Prozesses und damit der Gesamtwirkungsgrad des Kraftwerkes erhöht werden.
Weiterhin bevorzugt ist eine Ausgestaltung, bei der mindestens eine der folgenden Wärmekraftmaschinen ausgebildet ist:

- ein Verbrennungsmotor,
- ein Dieselmotor;
- ein Gasmotor; und
- eine Gasturbine.

Insbesondere ein Dieselmotor hat sich als besonders effizient erwiesen, da er einerseits mit hoher Effizienz betrieben werden kann und andererseits der Kraftstoff Dimethylether oder Methanol oder Gemischen umfassend Dimethylether und Methanol, die bevorzugt aus Kohlendioxid synthetisiert werden, direkt in diesem verbrannt werden kann. Insbesondere die Kraftstoffe Methan und Methanol können vorteilhafterweise in einem Gasmotor, insbesondere einem Gas-Ottomotor oder einem Gas-Dieselmotor, verbrannt werden. Als Verbrennungsmotor kann neben einem Dieselmotor auch bevorzugt ein Ottomotor oder ein Stirlingmotor eingesetzt werden.
Bevorzugt ist eine Verfahrensführung, bei der der Kraftstoff mindestens einen der folgenden Stoffe umfasst:

- Methanol (CH₄O);
- Methan (CH₄); und
- Dimethylether (DME, C₂H₆O).

Methanol und Methan können einerseits als Grundstoffe für die Synthese anderer Kraftstoffe eingesetzt werden. Andererseits kann sowohl Methanol als auch Methan direkt in Wärmekraftmaschinen verbrannt werden. DME ist besonders bevorzugt, da DME auch als Grundstoff für die Synthese anderer Substanzen zur Verfügung steht und darüber hinaus praktisch rußfrei verbrennt. Im Vergleich zu einem Kraftwerk ohne die erfindungsgemäße Wärmekraftmaschine führt dabei die hier beschriebene Verfahrensführung neben einer Erhöhung des Gesamtwirkungsgrades zu einer Reduktion der Kohlendioxidemissionen wie auch der Emissionen von Stickoxiden (NO_x) und Ruß. DME wird bevorzugt über eine katalytische Umsetzung des Kohlendioxids mit (elektrolytisch erzeugtem) Wasserstoff gewonnen.
Bevorzugt ist eine Ausgestaltung bei der der mindestens eine Verbraucher der elektrischen Energie über ein Stromnetz mit dem Kraftwerk verbunden ist.
Die Versorgung eines Stromnetzes, in dem üblicherweise mehrere elektrische Verbraucher zumindest teilweise zur Stromversorgung mit dem Kraftwerk verbunden sind, ist ein bevorzugter Anwendungsfall der vorliegenden Erfindung. Im Betrieb speist die Wärmekraftmaschine die erzeugte elektrische Energie ebenfalls zumindest teilweise in das Stromnetz ein.
Bevorzugt ist eine Verfahrensführung, bei der die Wärmekraftmaschine in Abhängigkeit von der elektrischen Last im Stromnetz betrieben wird.
Dies erlaubt insbesondere die Zuschaltung der Wärmekraftmaschine, wenn eine Nominalleistung des Kraftwerkes überschritten wird, also eine höhere elektrische Leistung in das Stromnetz einzuspeisen wäre, als das Kraftwerk nominal abgeben kann, also eine Spitzenlastsituation vorliegt. Hierbei kann eine reine (binäre) Zuschaltung der Wärmekraftmaschine erfolgen, es kann jedoch auch ein Betrieb in Abhängigkeit von der elektrischen Last im Stromnetz erfolgen, bei der die Leistungsabgabe der Wärmekraftmaschine zumindest in Teilbereichen in Abhängigkeit von der angefragten Last im Stromnetz erfolgt. Die Wärmekraftmaschine wird also bevorzugt so betrieben, dass die von ihr abgegebene elektrische Leistung in Abhängigkeit von der elektrischen Last im Stromnetz definiert wird.
Ebenfalls bevorzugt ist eine Verfahrensführung, bei der die Umsetzung des Kohlendioxids in Kraftstoff in Abhängigkeit von der elektrischen Last im Stromnetz betrieben wird.
So kann ein Teil der durch das Kraftwerk bereitgestellten Leistung dann, wenn die Last unterhalb einer Nominalleistung des Kraftwerks liegt, für die Synthese des Kraftstoffs eingesetzt werden.
Dies erlaubt einen Betrieb des Kraftwerkes, bei dem die Erzeugung des Kraftstoffes und der Betrieb der Wärmekraftmaschine zur Speicherung und Abgabe von Energie eingesetzt werden.
Weiterhin wird ein System zum Betrieb eines Kraftwerkes, insbesondere nach dem erfindungsgemäßen Verfahren vorgeschlagen, umfassend

- das Kraftwerk,
- eine Kohlendioxidabscheideanlage,
- eine Synthesesanlage zur Synthese eines Kraftstoffs aus Kohlendioxid,

A) einem Luftvorwärmer zum Anwärmen einer Verbrennungsluft eines Kraftwerks;
B) einem Prozessmediumvorwärmer zum Anwärmen eines Prozessmediums wie beispielsweise Wasser und/oder Dampf des Kraftwerks;
C) einer Trocknungsanlage zur Trocknung des Brennstoffs des Kraftwerks; und
D) der Kohlendioxidabscheidungsanlage.

Bevorzugt umfasst das System weiterhin mindestens einen Mischer zur Mischung von Abgas (der Wärmekraftmaschine) und einem Rauchgas des Kraftwerks.
Die für das erfindungsgemäße Verfahren offenbarten Details und Vorteile lassen sich auf das erfindungsgemäße System übertragen und anwenden und umgekehrt.
Das erfindungsgemäße Verfahren und das erfindungsgemäße System erlauben eine deutliche Erhöhung des Gesamtwirkungsgrades des Systems im Vergleich zu herkömmlich betriebenen Kraftwerken mit Kohlendioxidabscheidung oder im Vergleich zu Syntheseanlagen zur Synthese eines Kraftstoffs aus Kohlendioxid anderer Quellen, etwa aus der Luft.
Die Erfindung sowie das technische Umfeld werden nachfolgend anhand der Figuren näher erläutert. Es ist darauf hinzuweisen, dass die Erfindung durch die gezeigten Ausführungsbeispiele nicht beschränkt werden soll. Insbesondere ist es, soweit nicht explizit anders dargestellt, auch möglich, Teilaspekte der in den Figuren erläuterten Sachverhalte zu extrahieren und mit anderen Bestandteilen und/oder Erkenntnissen aus anderen Figuren und/oder der vorliegenden Beschreibung zu kombinieren. Es zeigen schematisch:

1 ein System aus einem Kraftwerk mit Kohlendioxidabscheidung und Wärmekraftmaschine;
2 ein Beispiel einer Kohlendioxidabscheideanlage als Teil eines Systems zum Betrieb eines Kraftwerkes;
3 ein Beispiel einer Trocknungsanlage als fakultatives Element eines Systems zum Betrieb eines Kraftwerkes;
4 bis 8 Details eines Kraftwerkes;
9 ein Beispiel eines Stromnetzes mit Verbrauchern; und
10 ein Beispiel eines Systems mit einem Kraftwerk.

Im Folgenden sind gleiche Elemente mit gleichen Bezugszeichen versehen. 1 zeigt schematisch ein Kraftwerk 1. In diesem Kraftwerk 1 wird ein kohlenstoffhaltiger Brennstoff verbrannt, dadurch Dampf erzeugt, der wiederum über die Entspannung über mindestens eine Turbine der Erzeugung von elektrischer Energie dient. Das dabei entstehende Rauchgas des Kraftwerks 1 ist kohlendioxidhaltig. Bevorzugt handelt es sich bei dem Kraftwerk 1 um ein fossil befeuertes Kraftwerk, in dem also fossile Brennstoffe wie Kohle, insbesondere Braunkohle oder Steinkohle, Erdöl und/oder Gas verbrannt werden, und/oder um ein Kraftwerk zur Verbrennung von Biomasse. Bevorzugt ist in diesem Fall die Ausgestaltung als Trockenbraunkohlekraftwerk. Das gezeigte Schema in 1 bezieht sich dabei nicht auf die Ausbildung des Kraftwerks 1 als solches, welches bekannt ist, vielmehr zeigt 1 das thermische Zusammenwirken von bestimmten Elementen des Kraftwerks 1 und anderen Elementen. Das Gesamtsystem weist neben dem Kraftwerk 1 eine Kohlendioxidabscheideanlage 2 und eine Trocknungsanlage 3 auf. Weiterhin umfasst das gezeigte System eine Wärmekraftmaschine 4.
Zur Kohlendioxidabscheidung sind verschiedene Prozesse bekannt, so beruht beispielsweise ein typisches Kohlendioxidabscheideverfahren auf einer so genannten Aminwäsche, bei der das Kohlendioxid enthaltende Gas (also beispielsweise das Rauchgas des Kraftwerks 1) durch eine alkalische wässrigen Lösung von Aminen, beispielsweise von Monoethanolamin (MEA), Diethanolamin (DEA), Methyldiethanolamin (MDEA)), Piperazin (PZ), Aminomethylpropanol (AMP) und/oder Diglycolamin (DGA), geführt wird und das Kohlendioxid durch wechselnde Absorptions- und Desorptionsvorgänge aus dem Gas abgeschieden wird.
Ein Beispiel einer Kohlendioxidabscheideanlage 2 ist schematisch in 2 gezeigt, diese entspricht dem Stand der Technik. Die Kohlendioxidabscheideanlage 2 umfasst einen Absorber 201 und einen Desorber 202. Der Absorber 201 wird dabei vom Rauchgas 7 des Kraftwerks 1 durchströmt. Den Absorber 201 verlässt das Abgas 203, welches im Wesentlichen aus Stickstoff besteht, das Kohlendioxid wurde in einem Lösungsmittel, einer wässrigen Lösung mindestens eines Amins, im Absorber 201 gelöst. Der Absorber 201 wird dazu mit einem ersten Lösungsmittelzustrom 204 beschickt, ein erster Lösungsmittelabstrom 205 wird aus dem Absorber 201 abgeführt. Der erste Lösungsmittelzustrom 204 ist dabei arm an Kohlendioxid, während der erste Lösungsmittelabstrom 205 reich an Kohlendioxid ist. Der erste Lösungsmittelzustrom 204 wird dabei mit einer vergleichsweise geringen Temperatur von etwa 40-60 °C dem Absorber 201 zugeführt.
Der erste Lösungsmittelabstrom 205 wird einem Wärmeaustauscher 206 zugeführt, der als Gegenstromwärmeaustauscher ausgeführt ist. Der erste Lösungsmittelabstrom 205 wird dabei im Wärmeaustauscher 206 durch einen Wärmeaustausch mit einem zweiten Lösungsmittelabstrom 207 erwärmt. Dieser zweite Lösungsmittelabstrom 207 verlässt dabei den Desorber 202. Der zweite Lösungsmittelabstrom 207 ist dabei ebenfalls arm an Kohlendioxid, liegt aber auf einem deutlich höheren Temperaturniveau als der erste Lösungsmittelzustrom 204 beim Einströmen in den Absorber 201. Folglich heizt der zweite Lösungsmittelabstrom 207 über den Wärmeaustauscher 206 den zweiten Lösungsmittelabstrom 205 auf, der nach Aufheizung als zweiter Lösungsmittelzustrom 208 dem Desorber 202 zugeführt wird. Im Desorber 202 strömt dem Lösungsmittelstrom heißer Dampf (Desorberbrüden 212) entgegen, der in einem Reboiler 209 aus Lösungsmittel erzeugt wird. Hierzu wird ein Teilstrom des Lösungsmittels, welcher im Desorbersumpf 214 des Desorbers 202 abgezogen wird, durch Dampf 213, hier Niederdruckdampf, erhitzt. Bei den dadurch erhöhten Temperaturen des Lösungsmittels gibt das Lösungsmittel das Kohlendioxid wieder ab, dieses wird oben im Desorber 202 als Kohlendioxidstrom 210 abgezogen und dann durch einen Kühler 211 gekühlt und einer weiteren Verwendung zugeführt.
3 zeigt ein Beispiel einer herkömmlichen Trocknung für Braunkohle in einer Trocknungsanlage 3. Rohbraunkohle 301 wird hierbei einem Rohbraunkohlebunker 302 zugeführt und aus diesem nach Bedarf über verschiedene Mühlen 303 einem Trockner 304 zugeführt. Der Trockner 304 wird dabei über Dampf 305 beheizt, der seine Wärme an die zu trocknende, in den Mühlen 303 fein gemahlene, Braunkohle abgibt, und den Trockner 304 als Kondensat 306 wieder verlässt. Die getrocknete Braunkohle, auch als Trockenbraunkohle 307 bezeichnet, wird dabei über einen Kühler 308 aus dem Trockner 304 abgeführt nach einer eventuellen Nachmahlung in einer Mühle 309 kann die so erzeugte Trockenbraunkohle 307 einer weiteren Verwendung zugeführt werden, beispielsweise zur Verfeuerung in einem Kraftwerk 1.
Die im Trockner 304 entstehenden Brüden 310 werden in einem Filter 311 vom darin enthaltenden Braunkohlestaub gereinigt, dieser wird ebenfalls der Trockenbraunkohle 307 zugeschlagen. Die Brüden 310 werden nach der Filterung in einem Brüdenkondensator 312 kondensiert, der beispielsweise von einem Prozessmedium (Kesselspeisewasser) oder Verbrennungsluft durchströmt wird, die dadurch erwärmt werden. Das entstehende Brüdenkondensat 313 wird abgeführt. Der Brüden 310 kann dabei wahlweise über einen Brüdenverdichter 314 verdichtet werden.
Das Kraftwerk 1 weist - unter erneuter Bezugnahme auf 1 - thermisch betrachtet zum einen Wärmequellen auf, also Prozessbereiche, die Wärme bereitstellen oder aus denen Wärme abzuführen ist, die in anderen Prozessen genutzt werden kann. Hierbei handelt es sich - neben dem in 1 nicht gezeigten Rauchgas - beispielsweise um eine Turbine 5 (siehe 1), durch die ein nicht gezeigter Generator zur Stromerzeugung angetrieben wird. Bei der Turbine 5 handelt es sich insbesondere bei modernen Kraftwerken 1 oft um die Kombination einer Hochdruckturbine, in der der erzeugte Dampf zunächst von einem hohen Druckniveau auf ein mittleres Druckniveau entspannt wird, und mindestens einer daran anschließenden weiteren Turbine, beispielsweise einer Niederdruckturbine, bei der der Dampf von einem mittleren Druckniveau auf ein niedriges Druckniveau entspannt wird oder auch einer Kombination einer Mitteldruck- und einer Niederdruckturbine.
Durch die Turbinen wird dabei jeweils ein Generator zur Stromerzeugung angetrieben. Der beim Verlassen der Turbine 5 vorliegende Dampf ist dabei vergleichsweise warm, weist insbesondere Temperaturen von 100°C [Grad Celsius] bis 300°Cauf. Er wird zu Wärmesenken geführt, also in Prozessschritten eingesetzt, die endotherm sind, also zu Prozessschritten die zur Durchführung die Zufuhr von thermischer Energie benötigen, die der zugeführte Dampf liefert. Dies ist beispielsweise im Rahmen der Kohlendioxidabscheidung 2 bei der Waschmittelregeneration 6 notwendig. Alternativ oder zusätzlich kann der Dampf einer Trocknungsanlage 3 zugeführt werden. Eine weitere Wärmequelle im System stellt beispielsweise der Desorberbrüden 212 der Kohlendioxidabscheideanlage 2 dar (vgl. Beschreibung zu 2 oben), der Wärmesenken im Kraftwerk 1 zugeführt werden kann, beispielsweise einer Prozessmediumvorwärmung 13, durch die ein Prozessmedium wie beispielsweise das Speisewassers des Kessels des Kraftwerks 1 vorgewärmt werden kann, einer Kondensatvorwärmung oder einer Vorwärmung des einer Hochdruck- oder Niederdruckturbine zugeführten Dampfes. Alternativ oder zusätzlich kann der Desorberbrüden 212 zur Vorwärmung der Verbrennungsluft des Kraftwerks 1 genutzt werden, in dem der Desorberbrüden 212 einem Luftvorwärmer 11 zugeführt wird.
Weitere Wärmequellen sind beispielsweise die Brüden 310 der Trocknungsanlage 3 je nach Einsatz eines Brüdenverdichters 314 als unverdichteter Brüden 17 oder als verdichteter Brüden 18. Der entsprechende Brüden 310 kann dabei als Wärmequelle beispielsweise für die Vorwärmung des Speisewassers des Kessels des Kraftwerks 1, einer Kondensatvorwärmung oder einer Vorwärmung des einer Hochdruck- oder Niederdruckturbine zugeführten Dampfes dienen. Alternativ oder zusätzlich kann der Brüden 310 zur Vorwärmung der Verbrennungsluft des Kraftwerks 1 genutzt werden.
Gemäß der vorliegenden Erfindung weist das System ferner mindestens eine Wärmekraftmaschine 4 auf, die die elektrische Leistungsabgabe des Kraftwerks 1 in Zeiten erhöhter Last erhöhen kann. Hierbei handelt sich um einen Verbrennungsmotor, einen Dieselmotor, einen Gasmotor und/oder eine Gasturbine. Diese Wärmekraftmaschine 4 wird mit einem Kraftstoff betrieben, der aus dem Kohlendioxid erzeugt wird, welches in der Kohlendioxidabscheideanlage 2 abgeschieden und dann zu einem Kraftstoff umgesetzt wird, beispielsweise zu DME.
Durch die Verbrennung des Kraftstoffes entsteht ein Abgas 8, welches ebenfalls eine Wärmequelle darstellt. wobei zumindest ein Teil der thermischen Energie des Abgases 8 in mindestens einem der beschriebenen Prozesse a) bis d) eingesetzt wird.
So zeigt 4 schematisch ein Detail eines Kraftwerks 1 mit einer Feuerung 9, in der bevorzugt Kohlenstaub verfeuert wird. Durch die Feuerung 9 wird ein nicht gezeigtes Kesselsystem zum Erzeugen und gegebenenfalls zumindest zeitweisen Überhitzen von Wasserdampf betrieben. Zur Steigerung der Effizienz des Kraftwerkes wird dabei eine Verbrennungsluft 10, die der Feuerung 9 zugeführt werden soll, erhitzt. Hierzu ist ein Luftvorwärmer 11 ausgebildet, der einen Wärmeaustauscher umfasst, über den die Verbrennungsluft 10 üblicherweise über einen Wärmeaustausch mit dem Rauchgas 7 des Kraftwerks 1 erwärmt wird. Gemäß der vorliegenden Erfindung wird hierbei zumindest zeitweise Abgas 8 der Wärmekraftmaschine 4 dem Rauchgas 7 stromaufwärts des Luftvorwärmers 11 zugemischt. Dies bewirkt eine Erhöhung des Wirkungsgrades des Kraftwerks 1 durch die Erhöhung der im Luftvorwärmer 11 erreichten Temperatur der Verbrennungsluft 10.
5 zeigt eine alternative Situation, in der der Luftvorwärmer 11 ausschließlich mit Abgas 8 der Wärmekraftmaschine 4 betrieben wird. Bevorzugt ist eine hier nicht gezeigte Mischeinrichtung ausgebildet, durch die das Abgas 8 dem Rauchgas 7 zugemischt wird und das Mischungsverhältnis zwischen Rauchgas 7 und Abgas 8 variiert werden kann.
6 zeigt schematisch einen weiteren Ausschnitt eines Kraftwerks 1, welches als Kohlenkraftwerk mit einer Kohlenstaubfeuerung als Feuerung 9 ausgebildet ist. Hier ist eine Trocknungsanlage 3 ausgebildet, die grundsätzlich beispielsweise wie in 3 gezeigt ausgeführt ist. Auf die zu dieser Figur gemachten Ausführungen wird verwiesen. Der entsprechende Trockner 304 wird üblicherweise mit Dampf 305 betrieben. Erfindungsgemäß kann hierbei der entsprechende Trockner 305 zumindest teilweise mit Abwärme 12 betrieben werden, die beispielsweise in einem nicht gezeigten Wärmeaustaucher vom Abgas 8 der Wärmekraftmaschine 4 auf den Dampf 305 übertragen wird. Das im Wärmeaustauscher leicht abgekühlte Abgas 8 kann dabei dem Rauchgas 7 insbesondere vor einem Luftvorwärmer 7 zugeführt werden. Hierdurch wird der Wirkungsgrad des gesamten Kraftwerkes 1 erhöht.
7 zeigt schematisch ein weiteres Detail eines Kraftwerkes 1 mit einer Feuerung 9. Weiterhin ist ein Prozessmediumvorwärmer 13 ausgebildet, durch den ein Prozessmedium 14, beispielsweise Wasser und/oder Dampf, vor Durchführung durch die Feuerung 9 aufgewärmt und/oder überhitzt werden kann. Hierzu wird der Prozessmediumvorwärmer 13, der hier als Wärmeaustauscher ausgebildet ist, gleichzeitig vom Abgas 8 der Wärmekraftmaschine 4 durchströmt, so dass die Abwärme 12 des Abgases 8 zur Erwärmung des Prozessmediums 13 dient. Zusätzlich kann das dadurch abgekühlte Abgas 8 daran anschließend stromaufwärts eines Luftvorwärmers 11 dem Rauchgas 7 des Kraftwerks beigefügt werden. Hierdurch lassen sich signifikante Erhöhungen des Gesamtwirkungsgrades des Kraftwerkes 1 erzielen.
8 zeigt schematisch ein Detail einer Kohlendioxidabscheideanlage 2 eines Kraftwerkes, wie beispielsweise die in 2 gezeigte Kohlendioxidabscheideanlage 2. Auf die dort gemachten Ausführungen wird Bezug genommen. Auch hier ist ein Reboiler 209 ausgebildet, durch den das Lösungsmittel im Desorber 202 erwärmt wird. Zusätzlich wird hier der Reboiler 209 zumindest zeitweise auch durch Abwärme 12 der Wärmekraftmaschine 4 zumindest teilweise beheizt. Hierzu ist bevorzugt ein hier nicht gezeigter Wärmeaustauscher ausgebildet, durch den zumindest ein Teil der Abwärme 12 vom Abgas 8 beispielsweise auf den Dampf 213 übertragen wird. Das so abgekühlte Abgas 8 kann dann beispielsweise dem Rauchgas 7 des Kraftwerks 1 stromaufwärts eines Luftvorwärmers 11 und/oder eines Prozessmediumvorwärmers 13 zugemischt werden. Hierdurch kann der Gesamtwirkungsgrad des Kraftwerks 1 erhöht werden.
9 zeigt sehr schematisch ein Kraftwerk 1, welches mit einem Stromnetz 15 mit mehreren Verbrauchern 16 verbunden ist. Grundsätzlich ist es möglich, basierend auf dem aus dem Rauchgas 7 abgeschiedenen Kohlendioxid eine Energiespeicherung in Zeiten einer verringerten Last des Stromnetzes 15 vorzunehmen, in dem ein Kraftstoff wie beispielsweise DME aus dem Kohlendioxid synthetisiert und gespeichert wird. Steigt die Last des Stromnetzes 15 über einen Nominalwert an, so wird dieser Kraftstoff in der Wärmekraftmaschine 4 zur Stromerzeugung verbrannt. Wird nun das Abgas 8 dem Rauchgas 7 des Kraftwerks 1 zugemischt wie oben beschrieben und dies stromaufwärts der Kohlendioxidabscheideanlage 2 kann das Kohlendioxid des Abgases 8 der Wärmekraftmaschine 4 zumindest teilweise wieder aus diesem abgeschieden werden, so dass ein Kohlendioxidkreislauf geschaffen werden kann, der zum einen die Emissionen an Kohlendioxid reduziert und anderseits eine weitere Erhöhung des Gesamtwirkungsgrades des Kraftwerks 1 ermöglicht.
10 zeigt schematisch ein System 100 zum Betrieb eines Kraftwerkes 1, insbesondere nach dem erfindungsgemäßen Verfahren vorgeschlagen, umfassend das Kraftwerk 1, eine Kohlendioxidabscheideanlage 2 und eine Synthesesanlage 101 zur Synthese eines Kraftstoffs aus Kohlendioxid. Das Rauchgas 7 wird der Kohlendioxidabscheideanlage 2 zugeführt. Das dort abgeschiedene Kohlendioxid 19 wird der Synthetisierunsanlage 101 zugeführt. Der in der Syntheseanlage 101 synthetisierte Kraftstoff 20, beispielsweise DME, wird in einem Lager 102 gespeichert. Das System 100 umfasst weiterhin eine Wärmekraftmaschine 4, durch die der Kraftstoff 20 unter Erzeugung von elektrischer Energie und Abgas 8 verbrennbar ist. Das Abgas 8 kann dabei einem Mischer 103 zugeführt werden, in dem es mit dem Rauchgas 7 direkt stromabwärts des Kraftwerks 1 und/oder dem Rauchgas 7 nach Verlassen der Kohlendioxidabscheideanlage 2 mischbar ist. Das Abgas 8 kann dabei auch zunächst als Wärmequelle in der Kohlendioxidabscheideanlage 2 dienen und danach in den Mischer 103 geführt werden. Bevorzugt wird der Mischer 103 auch so betrieben, das final das Gemisch aus Rauchgas 7 und Abgas 8 der Kohlendioxidabscheideanlage 2 zum Abscheiden des Kohlendioxids zugeführt wird.
Das Kraftwerk 1 wird mit Trockenbraunkohle 307 aus einer Trocknungsanlage 3 versorgt, die mit Verbrennungsluft 8 verbrannt wird. Die Verbrennungsluft 8 wird dabei in einem Luftvorwärmer 11 erwärmt, der zumindest teilweise mit Rauchgas 7 und/oder Abgas 8 erwärmt wird, welches vom Mischer 103 abgegeben wird. Weiterhin wird ein Prozessmedium 14 wie beispielsweise Wasser über einen Prozessmediumvorwärmer 13 dem Kraftwerk 1 zugeführt. Im Prozessmediumvorwärmer 13 erfolgt eine Vorwärmung des Prozessmediums 13 zumindest teilweise über Rauchgas 7 und/oder Abgas, welches vom Mischer 103 abgegeben wird. Das Abgas 8 kann dabei vor Einströmen in den Mischer 103 alternativ oder zusätzlich durch die Trocknungsanlage 3 geführt werden.
Mit der erfindungsgemäßen Verfahrensführung und dem erfindungsgemäßen System 100 ist eine Steigerung des Gesamtwirkungsgrades des Systems 100 und des Kraftwerks 1 möglich, so dass effektiv Kohlendioxidemissionen eingespart werden können. Dies kann noch verstärkt werden, wenn zumindest ein teilweiser Kohlendioxidkreislauf erreicht wird, in dem das Abgas 8 wieder dem Rauchgas 7 zugemischt wird.
Bezugszeichenliste

1: Kraftwerk
2: Kohlendioxidabscheideanlage
3: Trocknungsanlage
4: Wärmekraftmaschine
5: Turbine
6: Waschmittelregeneration
7: Rauchgas
8: Abgas
9: Feuerung
10: Verbrennungsluft
11: Luftvorwärmer
12: Abwärme
13: Prozessmediumvorwärmer
14: Prozessmedium
15: Stromnetz
16: Verbraucher
17: unverdichteter Brüden
18: verdichteter Brüden
19: Kohlendioxid
20: Kraftstoff
100: System
101: Synthesesanlage
102: Lager
103: Mischer
201: Absorber
202: Desorber
203: Abgas
204: erster Lösungsmittelzustrom
205: zweiter Lösungsmittelabstrom
206: Wärmeaustauscher
207: zweiter Lösungsmittelabstrom
208: zweiter Lösungsmittelzustrom
209: Reboiler
210: Kohlendioxidstrom
211: Kühler
212: Desorberbrüden
213: Dampf
214: Desorbersumpf
301: Rohbraunkohle
302: Rohbraunkohlenbunker
303: Mühle
304: Trockner
305: Dampf
306: Kondensat
307: Trockenbraunkohle
308: Kühler
309: Mühle
310: Brüden
311: Filter
312: Brüdenkondensator
313: Brüdenkondensat
314: Brüdenverdichter

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102010010540 A [0003]

Claims

Verfahren zum Betrieb eines Kraftwerkes (1) zur Erzeugung von elektrischer Energie zur Abgabe an mindestens einen Verbraucher (16) durch Verbrennung eines Kohlenstoffhaltigen Brennstoffs, wobei Kohlendioxid (19) aus dem Rauchgas (7) des Kraftwerkes (1) abgeschieden wird, wobei das abgeschiedene Kohlendioxid (19) zumindest teilweise zu einem Kraftstoff (20) umgesetzt wird, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest zeitweise der Kraftstoff (20) in mindestens einer Wärmekraftmaschine (4) unter Bildung eines Abgases (8) verbrannt wird, wobei durch die Wärmekraftmaschine (4) elektrische Energie erzeugt wird, die an mindestens einen Verbraucher (16) abgegeben wird, wobei zumindest ein Teil der thermischen Energie des Abgases (8) in mindestens einem der folgenden Prozesse eingesetzt wird: a) zum Anwärmen einer Verbrennungsluft (10) eines Kraftwerks (1); b) zum Anwärmen eines Prozessmediums (14) des Kraftwerks (1); c) in einer Trocknung des Brennstoffs des Kraftwerks (1); und d) in einer Kohlendioxid-Abscheidung.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem das Abgas (8) dem Rauchgas (7) des Kraftwerks (1) zugeführt wird, insbesondere bevor dieses zumindest einem der folgenden Prozesse zugeführt wird: i) einem Anwärmen der Verbrennungsluft (10) des Kraftwerkes (1); ii) einem Anwärmen mindestens eines Prozessmediums (14) des Kraftwerkes (1); und iii) einer Kohlendioxidabscheidung.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das Prozessmedium (14) Wasser umfasst.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der Kraftstoff (20) mindestens eines der folgenden Stoffe umfasst: - Methanol (CH₄O); - Methan (CH₄); und - Dimethylether (DME, C₂H₆O).
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der mindestens eine Verbraucher (16) der elektrischen Energie über ein Stromnetz (15) mit dem Kraftwerk (1) verbunden ist.
Verfahren nach Anspruch 5, bei dem die Wärmekraftmaschine (4) in Abhängigkeit von der elektrischen Last im Stromnetz (15) betrieben wird.
Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, bei dem die Umsetzung des Kohlendioxids (19) in Kraftstoff (20) in Abhängigkeit von der elektrischen Last im Stromnetz betrieben wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Wärmekraftmaschine (4) einen Dieselmotor, einen Ottomotor und/oder eine Gasturbine umfasst.
System (100) zum Betrieb eines Kraftwerkes (1), insbesondere nach einem Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, umfassend das Kraftwerk (1), eine Kohlendioxidabscheideanlage (2), eine Synthesesanlage (101) zur Synthese eines Kraftstoffs (20) aus Kohlendioxid (19), dadurch gekennzeichnet, dass eine Wärmekraftmaschine (4) ausgebildet ist, durch die der Kraftstoff (20) unter Erzeugung von elektrischer Energie und Abgas (8) verbrennbar ist, wobei die Wärmekraftmaschine (4) zumindest zeitweise thermisch mit mindestens einem der folgenden Elemente zur Übertragung zumindest eines Teils der Abwärme des Abgases (8) verbindbar ist: A) einem Luftvorwärmer (11) zum Anwärmen einer Verbrennungsluft (10) eines Kraftwerks (1); B) einem Prozessmediumvorwärmer (13) zum Anwärmen eines Prozessmediums (14) des Kraftwerks (1); C) einer Trocknungsanlage (3) zur Trocknung des Brennstoffs des Kraftwerks (1); und D) der Kohlendioxidabscheidungsanlage (2).
System nach Anspruch 9, weiterhin umfassend mindestens einen Mischer (103) zur Mischung von Abgas (8) und einem Rauchgas (7) des Kraftwerks (1).