-
-
Verfahren zur Energierückgewinnung
-
aus verflüssigten Gasen Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur
Energierückgewinnung aus verflUssigten Gasen durch deren Anwärmung im Wärmetausch
mit einem Kreislaufmedium, welches dabei gekUhlt, anschließend verdichtet, erwärmt
und arbeitsleistend entspannt wird.
-
Derartige Verfahren werden häufig zur Wiederverdampfung von flüssigem
Erdgas eingesetzt, welches am Erzeugungsort für den Schiffstransport verflüssigt
wurde.
-
Nach einem bekannten Verfahren (DT-OS 2 407 617) wird die Kälte des
flüssigen Erdgases an ein gasförmiges Kreislaufmedium übertragen. Das Kreislaufmedium
wird danach verdichtet,
im Gegenstrom mit sich selbst angewärmt
und vor seiner arbeitsleistenden Entspannung durch Zufuhr von Fremdwärme weiter
erhitzt. Dieses Verfahren weist den Nachteil auf, daß der große Teil der Kälteexergie,
die in dem Kreislaufmedium vor seiner Erhitzung enthalten ist, vernichtet und die
effektive Leistung im wesentlichen aus Brennstofrwärme erzeugt wird. Darüber hinaus
führt die zusätzliche Erhitzung des Erdgases, die meist durch Verbrennen eines Teils
des Erdgases selbst erreicht wird, zu einer nicht unerheblichen Abgasenentwicklung,
die von den Betreibern von Erdgaslöschhäfen als lästig empfunden wird.
-
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein umweltfreundliches
Verfahren zur Erzeugung von Energie aus Flüssiggaskälte zu entwickeln, das sich
durch optimale Nutzung allein der Kälteexergie auszeichnet.
-
Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß die höchste im Kreislauf erreichte
Temperatur nicht wesentlich über Umgebungstemperatur liegt.
-
Durch die erfindungsgemäße Verfahrenskonzeption werden einerseits
die Umweltbelastungen, die bei herkömmlichen Anlagen durch die zusätzliche Erhitzung
hervorgeruren werden, vermieden.
-
Andererseits wird folgender entscheidender thermodynamischer Vorteil
erzielt: Die gesamte in dem FlUsslggas enthaltene Kältemenge, vermehrt um
die
bei der arbeitsleistenden Entspannung des Kreislaufmediums entstehende Kältemenge,
fällt bei einem Temperaturniveau im Bereich zwischen etwa 223 K bis 243 K an. Kälte
auf diesem Temperaturniveau ist für vielerlei Zwecke zu verwerten. Durch Anwendung
des erfindungsgemäßen Verfahrens gelingt es somit neben der Energiegewinnung die
gesamte im Erdgas enthaltene Kältemenge auf ein höheres und trotzdem noch sehr wertvolles
Temperaturniveau zu transformieren.
-
Die dabei gewissermaßen als "Abkälte" anfallenden Kältemengen werden
mit Vorteil mit Hilfes eines KUhlmittelkreislaufes zu weiteren Verwendungsstellen
gefUhrt. So können beispielsweise mit der "Abkälte" KUhlhäuser versorgt werden,
die häufig in unmittelbarer Nähe von Häfen anzutreffen sind.
-
Dies ist von großer wirtschaftlicher Bedeutung, da bei Slimaanlagen
die Kosten fUr die Erzeugung einer Gcal Kälte bei rund 100,-- DM liegen und aus
einer Million Nm3 stündlich "verdampfen Erdgases nach dem erfindungsgemäßen Verfahren
rund 160 Geal pro Stunde an wertvoller "Abkälte" gewonnen werden können. Das aus
einem derartigen KUhlhaus zl kströmende KUhlmittel besitzt eine Temperatur von etwa
263 K bis 288 K, wodurch die höchste Temperatur im Erdgasanwärmkreislauf ebenfalls
auf diesen Wertebereich festgelegt ist.
-
Ferner ist es von Vorteil die Abkälte zur VorkWhlung von Gasströmen
zu verwenden, die in verfahrenstechnischen iage verdichtet werden, da bekanntlich
die Verdichtung eines kalten Gasstromes weniger Energie erfordert. Auf diese Weise
kann der Energieverbrauch von verfahrenstechnischen Anlagen erheblich gesenkt werden.
Dabei kann außerdem Uber denselben oder einen anderen KUhlmittelkreislauf sonst
nutzlose Abwärme dem Erdgasanwärmbeislauf zugefUhrt werden. Die hdchste Temperatur
im Erdgasanwärmkreislauf ist somit Je nach der Temperatur der zur VerfUgung stehenden
Abwärme auf etwa 293 K bis 323 K festgelegt.
-
Durch dieses angehobene obere Temperaturniveau des Erdgaswärmekreislaufes
wird der thermodynamische Wirkungsgrad bei der Energieerzeugung aus verflUssigtem
Erdgas weiter gesteigert.
-
Mit Vorteil kann auch die infolge der erfindungsgemäßen VerfahrensfUhrung
entstehende Abkälte dazu benutzt werden, den thermodynamischen Wirkungsgrad von
Wärmekraftwerken zu steigern, indem durch Kehlung die Differenz zwischen oberem
und unterem Temperaturniveau und somit der Wirkungsgrad des Kraftwerkes vergrößert
wird.
-
Gemäß einer besonders vorteilhaften Weiterbildung des Erfindungsgedankens
wird das verRlUssigte Gas vor seiner Anwärmung auf Uberkritischen Druck gepumpt.
Hierdurch werden - bedingt durch den charakteristischen Verlauf der Enthalpie als
Funktion der Temperatur - die Temperaturdifferenzen zwischen dem anzuwärmenden verflssigten
Gas und den dabei abzukUhlenden Strömen klein gehalten, d.h. Exergieverluste beim
Wärmetausch werden somit minimalisiert. Nicht zuletzt aus diesem Grunde wird ein
relativ hoher thermodynamischer Wirkungsgrad von rund 40 ç erreicht, mit dem die
Kälte in mechanische Arbeit umgesetzt wird.
-
Als besonders vorteilhaft hat es sich weiterhin erwiesen, wenn als
Kreislaufmedium einTeil des anzuwärmenden gases selbst verwendet wird. Dabei wird
das kalte flUssige Gas auf der kalten Seite des Kreislaufes in diesen eingespeist
und am warmen Ende wieder abgezogen. Auf diese Weise wird eine konstante chemische
Zusammensetzung des Kreislaufmediums erzielt. Verluste an Kreislaufmedium durch
chemische Zersetzung oder Leckstellen werden so auf einfache Weise kompensiert.
-
In manchen Fällen, insbesondere wenn ein leicht explosibles FlUssiggas
angewärmt werden soll, ist es jedoch von Vorteil, als Kreislaurmedium Luft, Stickstoff
oder Helium zu
verwenden. Das Kreislaurmedium wird dabei in einem
geschlossenen Kreislauf gefUhrt.
-
Die Druckenergie des erwärmten FlUssiggases wird nach einer weiteren
Ausbildungsform des Anmeldungsgegenstandes dadurch in mechanische Energie umgesetzt,
daß das erwärmte Flüssiggas in einer oder mehrerer hintereinander geschalteten Turbinen
arbeitsleistend auf den gewAnschten Enddruck (z.B.
-
Pipelinedruck) entspannt wird. Dabei wird nach jeder Turbinenentspannung
das Gas auf die höchste im Kreislauf vorkommende Temperatur angewärmt.
-
Für den Fall, daß als Kreislaufmedium ein in einem offenen Kreislauf
geführter Teil des Flüssiggases selbst 1 verwendet wird, wird mit Vorteil der aus
dem Kreislauf als Produkt abzuziehende Teil des Flüssiggases nach der arbeits-Ii
leistenden Entspannung abgezogen, so daß die Entspannung des Kreislaufmediums und
die Entspannung des angewärmten Produktgases gewissermaßen gemeinsam erfolgen. Dabei
muß darauf geachtet werden, daß der entspannte und in den Kreislauf zurückgeführte
Teil noch einen ausreichend hohen Druck aufweist.
-
Ein zu niedriger Druck dieses zurückgeführten Teils würde in den
nachfolgenden Wärmetauschern zu großen Temperaturdifferenzen und somit zu großen
Exergieverlusten führen. Wird daher das
wiedererwärmte Flüssiggas
aufgrund äußerer Randbedingungen unter relativ niedrigen Abgabedrücker, gewünscht,
so wird mit Vorteil der in den Kreislauf zurückgefUhrte Teil nach der ersten oder
nach einer der ersten Expansionsmaschinen abgezweigt, während nur das aus der Anlage
als Produkt abzuziehende erwärmte FlUssiggas sämtliche Expansionsmaschinen durchläuft
und dabei auf den gewUnschten Abgabedruck entspannt wird.
-
In den Figuren 1 bis 4 ist die Erfindung anhand dreier schematisch
dargestellter AusfUhrungsbeispiele und eines Verfahrensdiagrammes näher erläutert.
-
Es zeigen: Figur 1 ein Schema eines Verfahresn zur Wiederverdampfung
von flüssigem Erdgas (fUr höhere AbgabedrUcke) Figur la ein Schema eines Verfahrens
wie in Figur 1, jedoch mit einer anderen Anordnung der Pumpen für flüssiges Erdgas.
-
Figur 2 ein Schema eines Verfahrens wie in Figur 1, jedoch für niedrigere
AbgabedrUcke geeignet.
-
Figur 7 ein Verfahrensdiagramm Figur 4 ein Schema wie in Figur 1 jedoch
mit geschlossenem Stickstoffkreislauf
Gleiche Teile sind in den
Figuren 1,2 und 4 mit gleichen Bezugszeichen versehen.
-
In Figur 1 dargestellten Ausführungsbeispiel kommt durch eine Leitung
1 Erdgas unter einem Druck von etwa 1 bar von einem Flüssiggastankschiff oder einem
Speicherbehälter. In Pumpe 2 wird das flüssige Erdgas auf überkritischen Druck,
vorzugsweise auf einenDruck zwischen 100 und 220 bar gepumpt.
-
Nach der Pumpe 2 besitzt es eine Temperatur von ca. 113 K bis 128
K. In Wärmetauschern 5 und 4 wird es im Gegenstrom zu einem Teil des Erdgases, der
in einem offenen Kreislauf geführt wird bis auf etwa 238 K angewärmt. Die weitere
Anwärmung des Erdgases bis 283 K erfolgt im Wärmetausch mit einem Solekreislauf
6 in Wärmetauscher 5. Dieser Solekreislauf transportiert die bei 238 K anfallende
"AbkElte" zur weiteren Verwendungsstellen wie z.B. Kühlhäusern und Kraftwerken.
Nach seiner Anwärmung auf 283 K wird das Erdgas in Turbine 7 auf einen Zwischendruck
entspannt. Im Wärmetauscher wiederum auf 283 K angewärmt und in Turbine 8 auf einen
Abgabedruck von 70 bar erneut entspannt.
-
Bei Punkt 9 wird der Erdgasstrom in zwei Teilströme 10 und 11 geteilt.
Teilstrom 10 wird durch den Wärmetauscher 5 Uber Leitung 19 abgezogen und in das
Erdgasnetz eingespeist. Teilstrom 11 wird in den Wärmetauscher 4 und 3 im Gegenstrom
zu kaltem
Erdgas abgekühlt, in Pumpe 12 auf einen Druck von 100
bis 220 bar gepumpt und danach dem anzuwärmenden Erdgas strom bei Punkt 13 wieder
zugemischt.
-
Erfindungsgemäß arbeitet das Verfahren ohne zusätzliche Heizung,
wodurch die höchste im Awärmkreislauf erreichte Temperatur auf etwa 233 K festgelegt
ist.
-
Nach dem Verfahrensschema der Figur la, wird das flUssige Erdgas
in Pumpe 2 auf den Endabgabedruck von 70 bar verdichtet, in Wärmetauscher 3 angewärmt
und nach seiner Vereinigung mit dem Kreislauferdgas bei Punkt 13 zusammen mit diesem
auf den hohen Druck zwischen 100 und 220 bar gepunpt. Diese Verfahrensweise hat
den Vorteil, daß von der Pumpe 2 nicht die gesamte Druckdifferenz von 100 oder gar
220 bar Uberwunden werden mu. Daher kann eine entsprechend einfachere und billigere
Pumpe, von dem Typ wie sie bei Erdgasverdampfungsanlagen ohne Energierückgewinnung
ebenfalls eingesetzt wird, verwendet werden.
-
Das in Figur 2 dargestellte Verfahren ist für niedrigere EndabgabedrUcke
geeignet. Es unterscheidet sich von dem in Figur 1 dargestellten Verfahren durch
folgende Punkte: Das in den Wärmetauschern 3,4 und 5 angewärmte Erdgas der
Leitung
1 wird in der Turbine 7 auf einen Zwischendruck entspannt und sofort nach dieser
ersten Entspannung bei Punkt 14 in zwei Teilstrdme 15 und 16 aufgeteilt. Teilstrom
16 wird auf die gleiche Weise weiterbehandelt wie Teilstrom 11 in dem Verfahren
nach Figur 1. Dagegen wird Teilstrom 15 im Wärmetauscher 5 angewärmt, in der Turbine
8 entspannt und verläßt nach seiner erneuten Anwärmung im Wärmetauscher 5 die Anlage.
-
Durch diese Verfahrensweise ist gewährleistet, daß der bei Punkt 14
abgezweigte und im Wärmetauscher 4 zu kühlende Teilstrom einen ausreichend hohen
Druck aufweist, wodurch schließlich die Temperaturdifferenzen in den Wärmetauschern
3 und 4 die gewUnschten kleinen Werte annehmen.
-
In der folgenden Tabelle 1 sind einige wesentliche Betriebsdaten
des in Figur 1 dargestellten Verfahrens zusammengestellt, und zwar für die beiden
Fälle, in denen das flUssige Erdgas in Pumpe 2 auf einen Druck von 150 bzw. 220
bar gepumpt wird. FUr den letzten der beiden Fälle ist der Berechnung abweichend
von Figur 1 eine dreistufige Turbinenentspannung zugrundegelegt worden.
-
T a b e l l e 1 Leistungsdaten zweiter Verfahren nach Figur 1 für
106Nm³/h CH4 gültig für: P0 - 1 ata; pend = 70 ata; @u = 10°C
| 2-stufige 3-stufige |
| Entspannung Entspannung |
| p1 = 150 ata p1 = 200 ata |
| "Abkälte" Wtr. 5 1@2 164,7 |
| Wärmeumsätze # Wärmeaustausch in Wtr. 4 240,9 181,9 |
| (Gcal/h) Wärmeaustausch in Wtr. 3 @,5 8,5 |
| Turbinen- |
| eintritts- (Bar) 150/103 220/150/103 |
| drücke |
| gesamte |
| Turbinen- |
| leistung 46,1 57,4 |
| mit # ad=0,85 |
| (MW |
| Pumpen- Pumpe 2 Lp1 7,9 11,6 |
| leistungen Pumpe 12 Lp2 9,5 13,8 |
| mit #0- 0,85 |
| (MW) gesamt #Ln 17,4 25,4 |
| p |
| effektive |
| Leistung 28,7 32,0 |
| MW |
| Exergien Exergie des fl. CH4 EF 198,2 198,2 |
| (b. Umge- erhaltene Exergie |
| bungstemp. # im Produkt bei 70 ata |
| T=285 K und Tu 120,3 120,3 |
| (MW) verbrauchte Exergie |
| D = EF - EG 77,9 77,9 |
| thermodyn. Leff |
| Wirkungsgr. # = 36,8% 41,1% |
| d. Verfahrens #E 6 6 |
| Produktmenge 10 10 6 |
| Stoffumsätze # Rückführmenge Leitung 11 2,2 . 10@6 1,7 . 10 |
| Nm /h Turbinendurchsatz 3,2 . 10 2,7 . 106 |
| tiefste |
| Temperatur 237 239 |
| in Wtr. 5 (K) |
Wie aus der Tabelle ersichtlich ist, weist das erfindungsgemäße
Verfahren einen thermischen Wirkungsgrad von 36,8 bzw. 41,1 auf. Dieser Wirkungsgrad
ist mit dem von konventionellen thermischen Grundlastkraftwerken (90 bis 40%) durchaus
vergleichbar. Dagegen führt jedoch die Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens
wie eingangs erörtert zu bedeutsamen Vorteilen, wie geringeren Investitionskosten,
großer Umweltfreundlichkeit bei gleichzeitiger Erzeugung von nutzbarer Kälte.
-
Die nachfolgende Tabelle 2 gibt einen Nachweis Uber den Exergieverbrauch
in den einzelnen Aggregaten des Verfahrens nach Figur 1.
-
Tabelle 2 AurschlUsselung des Exergieverbrauchs des Verfahren nach
Figur 1, für 106 Nm3/h CH4 2-stuRige 3-stuRige Entspannung Entspannung p1=150 atü
p1=220 ata MW % MW % effektive Leistung Leff 28,7 36,8 32,0 41,1 Exergie der "Abkälte"
in El ERest 15,8 20,3 11,7 15,0 Exergieverlust in E 2 #EE2 18,5 23,7 14,5 18,6 Exergieverlust
in E 3 #EE3 1,3 1,7 1,1 1,4 Exergieverlust in den Turbinen #ET 6,9 8,9 9,0 11,6
Exergieverlust in den Pumpen #EP 6,7 8,6 9,6 12,3 gesamter Exergieverbrauch #E 77,9
100 77,9 100
Aus Tabelle 2 ist ersichtlich, daß die Exergieverluste,
gemessen an den großen zu UberbrUckenden Temperaturbereichen, infolge des hohen
Erdgasdruckes relativ klein gehalten werden können. Ferner ist ersichtlich, daß
eine Erhöhung des Erdgasdruckes von 150 auf 220 bar die Exergieverluste in den Wnrmetauschern
um rund ein viertel ihres ursprünglichen Wertes weiter verkleinert.
-
In Figur 3 ist zur weiteren Veranschaulichung des erfindungsgemäßen
Verfahrens der Wärmeinhalt der in den Wärmetauschern ), 4 und 5 abzukühlenden und
anzuwärmenden Ströme als Funktion ihrer Temperatur aufgetragen. Diesem Diagramm
ist ein Erdgasdruck (hinter Pumpe 2) von 150 bar zugrundegelegt. Als Enddruck des
Erdgases ist ein Druck von 70 bar angenommen. Die Kurve 100 stellt den Wärmeinhalt
des anzuwärmenden Stromes dar. Durch die waagrechten Striche 102 und 103 ist die
Grenze zwischen den Wärmetauschern 3,4 und 5 angedeutet. Kurve 101 stellt den Wärmeinhalt
der abzukühlenden Ströme dar, wobei der Teil oberhalb des waagrechten Trennungstriches
103 den Wärmeinhalt eines Solestromes widergibt.
-
Wie zu erkennen ist, sind die beiden Kurven gegenseitig gut einander
angepaßt, d.h. die Temperaturdifferenzen
sind besonders im kalten
Bereich sehr klein. Dies wird dadurch erreicht, daß - entsprechend einem besonderen
Merkmal der Erfindung - das flUssige Erdgas vor seiner Anwärmung auf überkritischen
Druck verdichtet wird, und daß ferner auch im Kreislauf ein Uberkritischer Druck
eingehalten wird.
-
Figur 4 zeigt eine Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens. An
die Stelle des offenen Erdgaskreislaufes aus dem Verfahren nach den Figuren 1 und
2 ist ein geschlossener Stickstoffkreislauf getreten. FlUssiges Erdgas tritt Uber
Leitung 1 in die Anlage ein, wird in Pumpe 2 auf 220 bar verdichtet, in den Wärmetauschern
3, 4 und 5 auf etwa Umgebungstemperatur angewärmt und in den Turbinen 7 und 8 arbeitsleistend
entspannt. Dabei wird das Erdgas nach jeder Entspannung im Wärmetauscher 5 wieder
auf Umgebungstemperatur angewärmt.
-
Das auf einen Enddruck von 50 bar entspannte Erdgas verläßt mit einer
Temperatur von ca. 283 K die Anlage. Die Kälte des flüssigen Erdgases wird in den
Wärmetauschern 3 und 4 an einen Stickstoffkreislauf abgegeben. Stickstoff von etwa
100 bar wird dabei in den Wärmetauschern 4 und 3 abgekühlt, in Pumpe 17 auf etwa
200 ata verdichtet, im Wärmetauscher 4 gegen sich selbst und im Wärmetauscher gegen
einen Solekreis-
lauf 6 angewärmt. Danach wird der Stickstoff zur
Arbeitsgewinnung in Turbine 18 entspannt und durchläuft den oben beschriebenen Kreislauf
von neuem.