EP3208512B1 - Verfahren zum regasifizieren von tiefkalt verflüssigtem gas - Google Patents
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Definitions
- the invention relates to a process for regasifying cryogenic liquefied gas, e.g. Methane or air, in which a subset of located in a tank cryogenic liquefied gas is supplied from the tank via a pressure lock an evaporator in which evaporates the subset, whereupon the vaporized gas filled into a high-pressure gas storage, fed into a pipeline network or an energy converter for generating electrical energy is supplied.
- cryogenic liquefied gas e.g. Methane or air
- the invention further relates to a device for carrying out this method.
- Refrigerated liquefied gases are becoming increasingly important. They are transported and stored at low pressure. The use usually requires the transfer from the liquid state to the gas phase. For further use in the high pressure range, the product is stored at the point of use in low pressure tanks (e.g., at most 37 bar) and then regasified the cryogenic liquefied gas. For this purpose, it is spent in evaporators in which the evaporation takes place with the supply of energy.
- the high-pressure phase previously required high-pressure pumps for cryogenic liquids, which push the liquids into the evaporator. The pump supplies the compression and evaporation energy with the evaporator.
- the compression can be done with a compressor.
- the liquid is transferred before compression in the evaporator at tank pressure in the gas phase and then compressed with the compressor.
- the alternative is LNG, cryogenic liquefied natural gas.
- the liquefied gas is transported to the end user or gas station with special insulated tank trucks. There it is stored in special tanks and must be regasified and compressed. So far, this requirement can be met in the high pressure range only with known high-pressure piston pumps.
- the piston pump has the significant disadvantage that it has wear phenomena after a relatively short time, which gas slippage occurs, which is ecologically and safety extremely dangerous for example in methane and high maintenance costs are planned.
- the driving engine requires external energy (electricity).
- a disadvantage of the methods mentioned is that a relatively high proportion of energy must be used for the required re-liquefaction of a portion of the regasified product.
- the present invention therefore seeks to provide a method and apparatus for regasifying cryogenic liquefied gases which requires a smaller amount of product to be re-liquefied and / or which can reduce the energy required for re-liquefaction.
- the invention according to a first aspect in a method of the aforementioned Kind essentially in that the pressure lock comprises two chambers which are alternately filled with a subset of the cryogenic liquefied gas from the tank, wherein the filled with the subset chamber is separated after the respective filling of the tank and connected to the evaporator, whereupon adjusts a pressure equalization between the evaporator and the chamber connected thereto, and that subsequently at least one displacer is displaced such that the gas contained in the evaporator pressure chamber at least partially, preferably completely, displaced in the evaporator and the other chamber with a Part of the cryogenic liquefied gas is filled from the tank.
- the displacement body can be guided displaceably in a cylinder, wherein the displacement body divides the cylinder into the two chambers, so that both chambers are realized in the same cylinder.
- the first and the second chamber may each be formed in a separate cylinder, in each of which an associated displacement body is displaceably guided.
- each chamber is assigned its own displacement body, the displacement bodies being used simultaneously Displacing the gas from one chamber into the evaporator and filling the other chamber with cryogenic liquefied gas are synchronously moved out of the tank.
- a preferred embodiment provides that the two chambers are alternately connected to the tank and to the evaporator.
- the other chamber is also connected in an analogous manner alternately with the tank and the evaporator, but the individual steps are carried out offset in time to the other chamber.
- the liquefied gas is preferably brought from the chamber into the evaporator under the geodetic pressure.
- the required pressure difference can also be applied or supported by a circulation pump.
- the filling of the chamber advantageously comprises the production of a pressure equalization between the tank and the chamber.
- the liquid feed is arranged in the chamber lower than the liquid outlet from the tank.
- the transfer of the gas from the chamber into the evaporator preferably takes place via a heat exchanger, in which heat is supplied to the liquid gas.
- the required heat, or a part thereof can be withdrawn from a gas stream to be liquefied in order to allow it to be condensed and returned to the tank.
- a particularly energy-efficient process management is ensured if, as corresponds to a preferred embodiment, the pressure after the pressure equalization between the evaporator and the associated chamber is in the supercritical range.
- the displacement of the displacement body or bodies can in principle be carried out with any drives, such as e.g. with an electric drive.
- the drive is hydraulically or pneumatically, in particular by means of a fluid pressure generated by the process itself.
- the procedure is preferably such that the displacement of the displacement body or bodies takes place by applying gas pressure, in particular with gas pressure from a high-pressure gas reservoir fed by the evaporator.
- the pneumatic actuation takes place here preferably via a separate piston.
- a preferred procedure in this context provides that an actuating piston is slidably mounted in an actuating cylinder and for synchronous movement with the or the displacement body (s) and the displacement of the or the displacement body by biasing the actuating piston with the gas pressure preferably generated in the system takes place after or during the event Actuation of opposite side of the actuating piston a pressure release takes place (is).
- the gas pressure necessary for the displacement is preferably stored in a separate memory and, if necessary, filled from the system or retrieved into the system.
- the pressure release is preferably carried out in that the gas located at the opposite side of the actuating piston is preferably cooled to condensation and then relaxed and is recirculated during the expansion in the tank as a liquid and liquid / gas phase or only as a gas phase.
- a particularly energy-efficient procedure for liquefying the gas in connection with the pressure release provides that the gas is passed through the heat exchanger for its cooling and condensation and is cooled in heat exchange with the liquid fed into the evaporator from the chamber, the condensation in the heat exchanger being preferred to a point in the T, s diagram that is to the left of the critical point. It is advantageous if the pressure remains constant.
- the method according to the invention for regasifying cryogenic liquefied gas can preferably be used in a method for demand-controlled regulation and delivery of the electrical output power of a regenerative energy-driven energy converter, in particular an electric generator.
- energy converters powered by regenerative energy such as in energy converters powered by wind energy, solar energy or tidal energy
- the problem is that the generation dependent on external conditions electrical energy can not easily be reconciled with the respective needs.
- the energy production in solar installations relies on sunlight, with a first peak of energy consumption usually occurring when electric lighting fixtures are switched on after sunset.
- these drawbacks become particularly clear when using regenerative energy sources.
- the energy can be stored for example in the form of a liquefied gas, as in the AT 506779 B describe is.
- the electrical energy supplied by the energy converter is used to liquefy a gas.
- the gas is stored in liquefied form and can be regasified with comparatively simple facilities as needed, and the energy released by the increase in volume during regasification can again be converted into electrical energy in a simple and conventional manner and made available to electrical consumers.
- the method is preferably suitable for the use of air or components thereof, such as nitrogen, or other gases, such as methane, as a storage medium.
- a method for storage and on-demand delivery of the electric energy generated by a regenerative energy converter energy to be created which is characterized by a higher efficiency.
- the invention relates to a device for regasifying cryogenic liquefied gas, comprising a tank for the cryogenic liquefied gas, an evaporator and a pressure lock arranged between the tank and the evaporator, which is characterized in that the pressure lock two chambers comprises, which are filled alternately with a subset of the cryogenic liquefied gas from the tank and which are separable after the respective filling of the tank and connectable to the evaporator, and that at least one displacement body is provided, which is for displacing the located in the under evaporator pressure Chamber contained gas is disposed in the evaporator.
- a preferred training ( Fig. 1 ) provides that the at least one displacement body is designed as displaceable in a cylinder displaceably mounted displacement piston.
- a further preferred embodiment provides that the two chambers are connected via shut-off devices respectively to the tank and to the evaporator, so that they can be connected alternately to the tank and to the evaporator.
- each chamber has its own displacement body, wherein the displacement body of both chambers are coupled to synchronous motion with each other inextricably.
- the displacer formed in particular as displaceably mounted in a respective cylinder displacement piston is coupled to a displaceably mounted in an actuating cylinder actuating piston to synchronous movement.
- At least one pressurizable gas pressure line into the actuating cylinder opens, so that the displacement of the or the displacement body by unilaterally acting on the actuating piston takes place with the gas pressure.
- the line connecting a chamber and the evaporator in each case leads via a heat exchanger.
- the tank and the chambers of the pressure lock are thermally insulated.
- the volume of the chambers is preferably in each case smaller than the volume of the evaporator.
- Fig.1 a block diagram of a Regasensstrom for the purpose of pressure storage
- Fig.2 a block diagram of a system for demand-dependent control and output of the electrical output of a regenerative energy powered energy converter.
- the system according to Fig. 1 comprises a vacuum-insulated tank 1, in which cryogenic liquefied gas, such as methane or another cryogenic liquefied gas, is stored.
- the tank 1 is connected via a line 2 and shut-off valves 3 and 4 optionally to the inlet 5 of the cylinder 6 or the inlet 7 of the cylinder 8.
- the cylinders 6 and 8 are thermally insulated, in particular vacuum-insulated.
- the gas return 9 of the cylinder 6 and the gas return 10 of the cylinder 8 are each connected via a shut-off device 11 and 12 with the gas space of the tank 1.
- the inlet 5 of the cylinder 6 and the inlet 7 of the cylinder 8 are each a shut-off device 13 and 14, a line 15 and a Heat exchanger 16 is connected to an evaporator 17.
- the gas return 9 of the cylinder 6 and the gas return 10 of the cylinder 8 are also connected via a shut-off device 18 and 19 and a line 20 also connected to the evaporator 17.
- a displacement piston 21 is slidably mounted and in the cylinder 8, a displacement piston 22 is slidably mounted.
- the two pistons 21,22 are connected to each other by means of a rigid connection on the rod 23 and thus mounted together displaceable.
- the outer chambers 25 and 26 of the cylinder 6 and 8 are constantly connected to each other in operation, which takes place for example by means of an axial pressure compensation bore 24.
- the inner chambers 27 and 28 of the cylinders 6 and 8 are those chambers of the cylinders 6 and 8, which can be filled via the inlet 5 and 7 with fluid from the tank 1.
- an actuating piston 40 is displaceably guided in a cylinder 29 and rigidly connected to the rod 23.
- the cylinder has at its opposite ends via inlets and outlets 30 and 31, via which pressure medium can be supplied on one side, while on the other side a pressure relief is made.
- the inlets and outlets 30 and 31 are connected via shut-off valves 32 and 33 to a pressure accumulator 34.
- the inlets and outlets 30 and 31 via shut-off valves 35 and 36, a line 37 and the heat exchanger 16 are connected to the gas space of the tank 1.
- a gas cylinder 39 is connected via a shut-off device 38, which are filled with the medium regasified in the evaporator 17 and can then be removed.
- the pressure vessel 34 may also be fed by the evaporator 17.
- Fig. 1 shown regasification plant is now as follows. From the vacuum-insulated tank 1 flows through the geodesic pressure alone, the liquefied gas into the chamber 27. For this purpose, the obturator 3 is opened and made by opening the obturator 11, a connection to the gas space of the tank 1 (gas decrease). If the chamber 27 is filled and the possibly resulting gas has flowed out of the chamber 27 into the tank 1, the chamber 27 is separated from the tank 1 by closing the shut-off elements 3 and 11. Now the connection to the evaporator 17 is established by opening the obturator 13. Again, by opening the obturator 18, a gas return from the evaporator outlet via the line 20 to the gas return 9 of the chamber 27, which produces a pressure equalization and allows the rapid emptying of the chamber 27 by the geodesic pressure.
- a heat exchanger 16 is interposed in series.
- the product flows through the geodesic pressure from the chamber 27 first in the heat exchanger 16 upstream of the evaporator 17. This is below the chamber 27, but above the evaporator 17. Therefore, the liquid flows only through the geodetic pressure in the heat exchanger 16 and fills it , Excess product flows through this into the underlying evaporator 17. There it comes to a sudden evaporation, so that the Product can flow as long until the chamber 27 is emptied.
- the piston 21 is driven by the piston 40, which also moves on the other side a piston 22 with the same function.
- the piston 40 is acted upon by the gas pressure from the gas reservoir 34, so that the piston 40 is moved by the gas pressure.
- the piston 40 has a larger engagement surface than the pistons 21 and 22 and pushes the piston 21 and 22 to the other chamber wall, whereby the gas from the chamber 27 is pressed into the evaporator 17 until the chamber 27 is depressurized on this page. While one chamber 27 is emptied, the other chamber 28 is filled with open shut-off valves 4 and 12 with medium from the tank 1.
- the pressurization by the gas from the gas storage 34 opposite side of the cylinder 29 must be depressurized.
- the pressure on this side of the cylinder 29 is lowered depending on the substance data, with a reduction to preferably 100 bar in the case of methane.
- the chamber to be relieved of the cylinder 29 is therefore set by opening the obturator 36 with the gas space of the tank 1 in conjunction, so that the gas sinks by throttling or a relaxation machine in the connecting line 37 to the predetermined pressure.
- the pressure is caused by a tank 1 upstream Kochströmer on. Before the gas reaches the overflow, it flows through the heat exchanger 16 and is cooled there with the standing at boiling temperature liquid of the tank 1.
- the gas temperature drops in the heat exchanger 16 below the critical temperature and the gas condenses.
- At the overflow liquid is under very high pressure.
- the pressure is reduced by opening the overflow to the set pressure by relaxing in the tank, whereby due to the throttling liquid and gas phase or liquid only.
- In the tank 1 liquefied gas and possibly some gas passes. The pressure does not rise because liquid previously flowed from the tank 1 into the chamber 28 and the liquid level was lowered.
- the system according to Fig. 2 comprises a vacuum-insulated tank 41 in which cryogenic liquefied gas, such as methane or another cryogenic liquefied gas, is stored.
- the tank 41 is connected via a line 42 and shut-off valves 43 and 44 selectively connected to the chamber 45 or the chamber 46 of the cylinder 47.
- the cylinder 47 is thermally insulated, in particular vacuum-insulated.
- the gas return 48 of the chamber 45 and the gas return 49 of the chamber 46 are each connected via a shut-off device 50 and 51 with the gas space of the tank 41.
- the inlet of the chamber 45 and the chamber 46 are each connected via a shut-off device 52 and 53, a line 54 and a heat exchanger 55 with an evaporator 56.
- the gas return 48 of the chamber 45 and the gas return 49 of the chamber 46 are each over a Shut-off 57 and 58 and a line 59 also connected to the evaporator 56.
- a displacement piston 60 is slidably mounted in the cylinder 47.
- the piston 60 is connected by means of a rigid connection on the rod 61 with an actuating piston 62 which is slidably guided in a cylinder 63.
- the cylinder 63 has at its opposite ends via inlets and outlets 64 and 65, via which pressure medium can be supplied on one side, while on the other side a pressure relief is made.
- the inlets and outlets 64 and 65 are connected via shut-off elements 66 and 67 to a pressure accumulator 68.
- the inlets and outlets 64 and 65 via shut-off valves 69 and 70, a line 71 and the heat exchanger 55 are connected to the overflow valve 72, where the gas to tank pressure (intermediate tank 73, which is in communication with the tank 41) relaxed becomes.
- a pressure accumulator 75 is connected via a shut-off device 74, which are filled with the medium regasified in the evaporator 56 and then can be removed.
- the pressure vessel 68 may also be powered by the evaporator 56 via a shut-off device 76.
- Fig. 2 shown regasification plant is now as follows. From the vacuum-insulated tank 41 flows solely through the geodesic pressure, the liquefied gas into the chamber 46. For this purpose, the obturator 43 is opened and by opening the obturator 51, a connection to the gas space of the tank 41st produced (gas decrease). If the chamber 46 is filled and the gas that may have formed has flowed out of the chamber 46 into the tank 41, the chamber 46 is separated from the tank 41 by closing the shut-off elements 43 and 51. Now the connection to the evaporator 56 is established by opening the obturator 52.
- a heat exchanger 55 is interposed in series.
- the product flows through the geodesic pressure from the chamber 46 first in the evaporator 56 upstream heat exchanger 55. This is below the chamber 46, but above the evaporator 56. Therefore, the liquid flows only through the geodetic pressure in the heat exchanger 55 and fills it , Excess product flows through it into the underlying evaporator 56. There it comes to a sudden evaporation, so that the product can flow in until the chamber 46 is emptied.
- the same pressure is established as in the evaporator 56. In the current process, this must be a pressure in the supercritical range.
- On the piston rod 61 are the pistons 60 and 62. It is assumed that the piston 60 is in the end position on the one (right) side of the cylinder 47. The piston 60 is driven by the actuating piston 62. The piston 62 is acted upon by the gas pressure from the gas reservoir 68, so that the piston 62 is moved by its gas pressure. Of the Piston 62 has a larger engagement surface than the piston 60 and pushes the piston 60 to the other wall of the cylinder 47, whereby the gas from the chamber 46 is pressed into the evaporator 56 until the chamber 46 is depressurized. While one chamber 46 is emptied, the other chamber 45 is filled with open shut-off valves 44 and 50 with medium from the tank 41.
- the pressurization by the gas from the gas storage 68 opposite side of the cylinder 63 must be relieved of pressure.
- the pressure on this side of the cylinder 63 is lowered depending on the substance data, with a reduction to preferably 100 bar in the case of methane.
- the pressure moves on an isobar, which in no state reaches the vapor space of the gas.
- the chamber to be relieved of the cylinder 63 is therefore set by opening the obturator 69 and 70 via the line 71 with the gas space of the tank 41 in conjunction, so that the gas drops by throttling or a relaxation machine in the connecting line to the predetermined pressure.
- the pressure is established by an overflow 72 upstream of the tank 41.
- the gas Before the gas reaches the overflow 72, it flows through the heat exchanger 55 and is cooled there with the standing at boiling temperature liquid of the tank 41.
- the gas temperature drops in the heat exchanger 55 below the critical temperature and the gas condenses.
- At the overflow 72 fluid is under very high pressure.
- the pressure is reduced by opening the overflow 72 to the set pressure by relaxing in the tank 41, wherein incurred by the throttling liquid and gas phase or liquid only.
- In the tank 41 liquefied gas and maybe some gas. The pressure does not rise because liquid previously flowed from the tank 41 into the chamber 45 and the liquid level was lowered.
- an energy converter is provided as a wind turbine 77.
- the power generated by the wind turbine 77 is supplied to a device 78 that is capable of switching between different power sources or interconnecting them to power an air liquefaction plant or air separator 79.
- the system 79 now liquefies, for example, the ambient air, wherein the liquid product is stored in an atmospheric tank 80. From there, the liquid product passes through a pump 81 in the low-pressure tank 41st
- the pressure-increasing device comprises a pressure lock 82, which comprises a cylinder 83 on one side and a cylinder 84 of smaller cross-section on the other side.
- a piston 85,86 is displaceably guided, wherein the two pistons 85,86 are rigidly coupled together.
- the pressure lock is acted upon by opening the obturator 87 or 88 with the gas from the gas reservoir 75.
- the smaller side of the pressure lock 82 ie the chambers of the cylinder 84 are alternately filled with a liquid, preferably water.
- This water is forced into the turbine 94 with the gas pressure coupled to a generator 95.
- the generator generates the power for the Network needs.
- the piston 86 moves in one direction, the liquid or water is forced into the turbine 94 and water on the piston rear side.
- the gas pressure, and thus the pressure at the smaller piston 86, is provided by the piston 85 of the large cylinder 83. For this to move, the gas pressure is lowered at the other side of the piston so that the resulting differential pressure defines the inlet pressure to the turbine 94.
- the process is controlled by shut-off valves. Through the opening of the respective cylinder chamber is filled with an advantageous manner of pressureless water, or lowered the pressure gas side leading to a low pressure. The pressure should be left of the critical point in the TS diagram.
- the effluent gas is passed into the heat exchanger 91, where it is cooled below the critical temperature, so that a portion of the gas condenses.
- the overflow valve 92 the relaxation takes place on tank pressure.
- the gas content describes the possible efficiency of the process.
- the energy storage process consists of two completely independently operating circuits.
- One is the gas liquefaction process.
- the volatilely occurring electricity of the wind turbine or a photovoltaic system in the condenser 79 is used entirely for gas liquefaction.
- the liquefied gas is the storage medium and is stored in appropriate tanks.
- the power requirement of the network to be supplied liquid is removed from this memory and fed to the regasification, so that with this gas power generating turbine 94, coupled to the generator 95, can be driven and the power grid supplied as needed.
- the condenser 79 may be switched off or go into stand-by mode.
- the condenser 79 has a requirement of 100 units, the efficiency of the liquefaction is 80%. If the turbine 94 is 100 units and the wind turbine 77 produces 10 units, the condenser will go into stand-by mode. If the windmill produces 30 units, then 10 units will be stored net.
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Description
- Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Regasifizieren von tiefkalt verflüssigtem Gas, wie z.B. Methan oder Luft, bei dem eine Teilmenge des in einem Tank befindlichen tiefkalt verflüssigten Gases vom Tank über eine Druckschleuse einem Verdampfer zugeführt wird, in dem die Teilmenge verdampft, worauf die verdampfte Gasmenge in einen Hochdruckgasspeicher abgefüllt, in ein Leitungsnetz eingespeist oder einem Energiewandler zur Erzeugung elektrischer Energie zugeführt wird.
- Die Erfindung betrifft weiters eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens.
- Tiefkalt verflüssigte Gase gewinnen immer mehr an Bedeutung. Sie werden bei geringem Druck transportiert und gelagert. Die Verwendung verlangt in der Regel die Überführung vom flüssigen Zustand in die Gäsphase. Zur weiteren Verwendung im Hochdruckbereich lagert man das Produkt am Ort der Verwendung in Niederdrucktanks (z.B. max. 37 bar) und regasifiziert anschließend das tiefkalt verflüssigte Gas. Dazu wird es in Verdampfer verbracht, in denen unter Zuführung von Energie die Verdampfung erfolgt. Die Hochdruckphase setzt bisher Hochdruckpumpen für kryogene Flüssigkeiten voraus, welche die Flüssigkeiten in den Verdampfer drücken. Die Pumpe führt mit dem Verdampfer die Kompressions- und Verdampfungsenergie zu.
- Alternativ kann die Kompression mit einem Kompressor erfolgen. Dazu wird die Flüssigkeit vor der Kompression im Verdampfer bei Tankdruck in die Gasphase überführt und anschließend mit dem Kompressor komprimiert.
- Bei beiden Verfahrensweisen handelt es sich um energieintensive Prozesse, die wartungsaufwändige Maschinen mit hohen Investitionskosten voraussetzen. Bisher war diese Anwendung auf wenige Anlagen begrenzt, die in ihrer Gesamtheit volkswirtschaftlich unbedeutend sind. Bei verstärkter Marktpenetration der Erdgasbetankung (diese erfolgt bisher mit konventionellen Kompressoren) müssen neue Lösungen der Gasversorgung gefunden werden. Bei Kompressoren muss die Kompressionsenergie zur Gänze über das Stromnetz zugeführt werden und die versorgenden Gasleitungen müssen die erforderliche Ergiebigkeit haben. Beides ist nur bedingt vorhanden.
- Die Alternative ist LNG, tiefkalt verflüssigtes Erdgas. Das verflüssigte Gas wird mit speziellen, isolierten Tankwagen zum Endverbraucher bzw. zur Tankstelle transportiert. Dort wird es in speziellen Tanks gelagert und muss regasifiziert und komprimiert werden. Bisher kann diese Anforderung im Hochdruckbereich nur mit bekannten Hochdruckkolbenpumpen erfüllt werden. Die Kolbenpumpe hat den wesentlichen Nachteil, dass sie nach relativ kurzer Zeit Verschleißerscheinungen hat, womit Gasschlupf auftritt, was beispielsweise bei Methan ökologisch und sicherheitstechnisch äußerst bedenklich ist und hohe Wartungskosten zu planen sind. Zudem benötigt der antreibende Motor Fremdenergie (Strom).
- In den Schriften
WO 2007/128023 A1 undWO 2013/182907 A2 sind Verfahren zur Regasifizierung tiefkalt verflüssigter Gase beschrieben, die durch Entlastung bzw. Drosselung in den speichernden Tank eine Fortsetzung des Prozesses ermöglichen. Beide Verfahren benötigen keinen Strom zur Kompression. Die notwendige Rückverflüssigung, jedoch nur eines sehr geringen Teils des regasifizierten Produktes, ist, wie erwähnt, durch Druckentlastung bzw. Drosselung gelöst. - Bei den bekannten Verfahren zum Regasifizieren von tiefkalt verflüssigtem Gas wird die flüssige Phase des durch Kälte verflüssigten Gases in einem isolierten Tank gelagert. Aus diesem muss es zur Verdampfung in den Hochdruckteil gebracht werden, so dass sich in Abhängigkeit von der Menge des zugeführten Flüssigprodukts, dem Volumen des Verdampfungsraumes und der entsprechenden Energiezufuhr der Gasdruck einstellt. Der Tank hat dabei einen wesentlich geringeren Druck als der Verdampfer, in dem Hochdruck herrscht. Beide Systeme müssen daher über eine sogenannte Druckschleuse miteinander verbunden werden. Als Druckschleuse wurde bei den Verfahren gemäß den Schriften
WO 2007/128023 A1 undWO 2013/182907 A2 ein Dosierspeicher eingesetzt.EP 1306604 A2 offenbart eine Anlage zur Abgabe von kryogenen Fluiden. - Nachteilig bei den genannten Verfahren ist, dass ein relativ hoher Energieanteil für die erforderliche Rückverflüssigung eines Teils des regasifizierten Produktes verwendet werden muss.
- Die vorliegende Erfindung zielt daher darauf ab, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Regasifizieren von tiefkalt verflüssigten Gasen zu schaffen, die eine geringere Menge von rückzuverflüssigendem Produkt erfordert und/oder bei denen die für die Rückverflüssigung erforderliche Energie verringert werden kann.
- Zur Lösung dieser Aufgabe besteht die Erfindung gemäß einem ersten Aspekt bei einem Verfahren der eingangs genannten Art im Wesentlichen darin, dass die Druckschleusezwei Kammern umfasst, die abwechselnd mit einer Teilmenge des tiefkalt verflüssigten Gases aus dem Tank befüllt werden, wobei die mit der Teilmenge befüllte Kammer nach dem jeweiligen Füllvorgang von dem Tank getrennt und mit dem Verdampfer verbunden wird, worauf sich ein Druckausgleich zwischen dem Verdampfer und der mit diesem verbundenen Kammer einstellt, und dass anschließend wenigstens ein Verdrängungskörper derart verlagert wird, dass das in der sich unter Verdampferdruck befindlichen Kammer enthaltene Gas zumindest teilweise, vorzugsweise vollständig, in den Verdampfer verdrängt und die andere Kammer mit einer Teilmenge des tiefkalt verflüssigten Gases aus dem Tank befüllt wird. Dadurch, dass wenigstens ein Verdrängungskörper vorgesehen ist, wird die nach dem Druckausgleich mit dem Verdampfer in der jeweiligen Kammer verbleibende Menge des regasifizierten Produkts in den Speicher gedrückt. Dadurch, dass beim Verlagern des Verdrängungskörpers die in der einen Kammer verbleibende Menge des regasifizierten Produkts ausgepresst und gleichzeitig in der anderen Kammer neues flüssiges Produkt aus dem Tank eingefüllt wird, kann eine einfache und sichere Verfahrensführung gewährleistet werden. Dabei kann der Verdrängungskörper in einem Zylinder verschiebbar geführt sein, wobei der Verdrängungskörper den Zylinder in die zwei Kammern teilt, sodass beide Kammern im gleichen Zylinder verwirklicht sind. Alternativ können die erste und die zweite Kammer jeweils in einem eigenen Zylinder ausgebildet sein, in dem jeweils ein zugehöriger Verdrängungskörper verschiebbar geführt ist. Eine bevorzugte Ausbildung sieht in diesem Zusammenhang' vor, dass jeder Kammer ein eigener Verdrängungskörper zugeordnet ist, wobei die Verdrängungskörper zum gleichzeitigen Verdrängen des Gases aus der einen Kammer in den Verdampfer und Befüllen der anderen Kammer mit tiefkalt verflüssigtem Gas aus dem Tank synchron bewegt werden.
- Eine bevorzugte Ausbildung sieht vor, dass die beiden Kammern abwechselnd mit dem Tank und mit dem Verdampfer verbunden werden. Dies bedeutet, dass die eine Kammer zuerst mit dem Tank verbunden und mit flüssigem Produkt aus dem Tank befüllt wird und anschließend vom Tank getrennt und mit dem Verdampfer verbunden wird. Nach dem Druckausgleich mit dem Verdampfer wird die in der Kammer verbliebene Gas- bzw. Flüssigkeitsmenge ausgepresst und es kann der Vorgang von vorn beginnen, d.h. die Kammer kann wieder mit flüssigem Produkt aus dem Tank befüllt werden. Die andere Kammer wird auf analoge Weise ebenfalls abwechselnd mit dem Tank und dem Verdampfer verbunden, wobei die einzelnen Schritte jedoch zeitlich versetzt zur anderen Kammer erfolgen.
- Eine besonders wirtschaftliche Verfahrensführung wird ermöglicht, wenn das verflüssigte Gas bevorzugt unter dem geodätischen Druck von der Kammer in den Verdampfer verbracht wird. Alternativ kann die erforderliche Druckdifferenz auch durch eine Umwälzpumpe aufgebracht oder unterstützt werden. Dabei umfasst das Befüllen der Kammer mit Vorteil die Herstellung eines Druckausgleichs zwischen dem Tank und der Kammer. Um ein Befüllen der Kammer unter dem geodätischen Druck des Tanks zu ermöglichen, ist bevorzugt vorgesehen, dass der Flüssigkeitszulauf in die Kammer tiefer angeordnet ist als der Flüssigkeitsablauf aus dem Tank.
- Bevorzugt erfolgt die Verbringung des Gases von der Kammer in den Verdampfer über einen Wärmetauscher, in welchem dem flüssigen Gas Wärme zugeführt wird. Dabei kann die benötigte Wärme, oder einem Teil davon, einem zu verflüssigenden Gasstrom entzogen werden, um eine Kondensation und Rückführung desselben in den Tank zu ermöglichen.
- Eine besonders energieeffiziente Verfahrensführung wird gewährleistet, wenn, wie dies einer bevorzugten Ausbildung entspricht, der Druck nach dem Druckausgleich zwischen dem Verdampfer und der mit diesem verbundenen Kammer im überkritischen Bereich liegt.
- Die Verlagerung des bzw. der Verdrängungskörper kann grundsätzlich mit beliebigen Antrieben erfolgen, wie z.B. mit einem elektrischen Antrieb. Mit Vorteil erfolgt der Antrieb aber hydraulisch bzw. pneumatisch, insbesondere mit Hilfe eines aus dem Prozess selbst erzeugten Fluiddrucks. Bevorzugt wird hierbei so vorgegangen, dass die Verlagerung des bzw. der Verdrängungskörper durch Beaufschlagen mit Gasdruck erfolgt, insbesondere mit Gasdruck aus einem vom Verdampfer gespeisten Hochdruckgasspeicher.
- Die pneumatische Betätigung erfolgt hierbei bevorzugt über einen gesonderten Kolben. Eine bevorzugte Verfahrensweise sieht in diesem Zusammenhang vor, dass ein Betätigungskolben in einem Betätigungszylinder verschieblich und zur synchronen Bewegung mit dem bzw. den Verdrängungskörper(n) gelagert ist und die Verlagerung des bzw. der Verdrängungskörper durch einseitiges Beaufschlagen des Betätigungskolbens mit dem vorzugsweiseim System erzeugten Gasdruck erfolgt, nachdem oder während an der der Beaufschlagung gegenüberliegenden Seite des Betätigungskolbens ein Druckablass erfolgt (ist). Der für die Verschiebung notwendige Gasdruck wird vorzugsweise in einem separaten Speicher bevorratet und bei Bedarf aus dem System gefüllt bzw. in das System abgerufen.
- Der Druckablass erfolgt bevorzugt dadurch, dass das an der der Beaufschlagung gegenüberliegenden Seite des Betätigungskolbens befindliche Gas vorzugsweise bis zur Kondensation gekühlt und anschließend entspannt wird und bei der Entspannung in den Tank als Flüssig- und Flüssig/Gasphase oder nur als Gasphase zurückgeführt wird.
- Eine besonders energieeffiziente Vorgehensweise zur Verflüssigung des Gases im Zusammenhang mit dem Druckablass sieht vor, dass das Gas zu dessen Kühlung und Kondensation über den Wärmetauscher geführt und im Wärmeaustausch mit dem von der Kammer in den Verdampfer geführten Flüssigkeit gekühlt wird, wobei die Kondensation im Wärmetauscher bevorzugt bis zu einem Punkt im T, s-Diagramm vorgenommen wird, der links des kritischen Punktes liegt. Vorteilhaft ist, wenn dabei der Druck konstant bleibt.
- Das erfindungsgemäße Verfahren zum Regasifizieren von tiefkalt verflüssigtem Gas kann bevorzugt in einem Verfahren zur bedarfsabhängigen Regelung und Abgabe der elektrischen Ausgangsleistung eines mit regenerativer Energie betriebenen Energiewandlers, insbesondere elektrischen Generators, zum Einsatz kommen. Bei mit regenerativer Energie betriebenen Energiewandler, wie z.B. bei mit Windenergie, Sonnenenergie oder der Gezeitenenergie angetriebenen Energiewandlern besteht das Problem, dass die jeweils von äußeren Bedingungen abhängige Erzeugung elektrischer Energie nicht ohne weiteres mit dem jeweiligen Bedarf in Einklang gebracht werden kann. So ist beispielsweise die Energiegewinnung bei Solaranlagen auf Sonnenlicht angewiesen, wobei eine erste Spitze des Energieverbrauchs üblicherweise dann auftritt, wenn nach Sonnenuntergang elektrische Beleuchtungskörper eingeschaltet werden. Bei Energiequellen, welche zu allem Überfluss in ihrer Leistung nicht ohne weiteres vorhersagbar sind, und insbesondere bei der Nutzung von Windenergie, werden diese Nachteile bei der Verwendung von regenerativen Energiequellen besonders deutlich.
- Zum Zwecke der Vergleichmäßigung bzw. Glättung der elektrischen Ausgangsleistung derartiger mit regenerativer Energie betriebener Energiewandler wurde bereitsvorgeschlagen, die in Zeiten geringeren Bedarfs anfallende Energie entsprechend zu speichern. Die Energie kann z.B. in Form eines verflüssigten Gases gespeichert werden, wie dies in der
AT 506779 B - Der erzielte Wirkungsgrad des in der
AT 506779 B AT 506779 B - Bevorzugt soll daher ein Verfahren zur Speicherung und bedarfsabhängigen Abgabe der von einem mit regenerativer Energie betriebenen Energiewandler erzeugten elektrischen Energie geschaffen werden, welches sich durch einen höheren Wirkungsgrad auszeichnet.
- Hierbei ist ein Verfahren zur bedarfsabhängigen Regelung und Abgabe der elektrischen Ausgangsleistung eines mit regenerativer Energie betriebenen Energiewandlers, insbesondere elektrischen Generators, vorgesehen, wobei ein Gas, insbesondere Luft, in einer mit dem Energiewandler gekoppelten Vorrichtung verflüssigt wird, das verflüssigte Gas vorzugsweise drucklos in einem Tank gespeichert wird und das verflüssigte Gas bei Bedarf regasifiziert und aus dem Gas freiwerdende Energie in elektrische Energie umgewandelt und elektrischen Verbrauchern zur Verfügung gestellt wird, wobei die Umwandlung der freiwerdenden Energie in elektrische Energie folgende Schritte umfasst:
- Antreiben einer Druckerhöhungsvorrichtung mit Hilfe des Drucks des regasifizierten Gases,
- Verwenden der Druckerhöhungsvorrichtung, um ein flüssiges Medium, beispielsweise Wasser zu verdichten und in eine Turbine zu pressen,
- Antreiben eines elektrischen Generators mit Hilfe der Turbine, um elektrische Energie zu erhalten.
- Gemäß einem zweiten Aspekt betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zum Regasifizieren von tiefkalt verflüssigtem Gas, umfassend einen Tank für das tiefkalt verflüssigte Gas, einen Verdampfer und eine zwischen dem Tank und dem Verdampfer angeordnete Druckschleuse, welche dadurch gekennzeichnet ist, dass die Druckschleuse zwei Kammern umfasst, die abwechselnd mit einer Teilmenge des tiefkalt verflüssigten Gases aus dem Tank befüllbar sind und die nach dem jeweiligen Füllvorgang von dem Tank trennbar und mit dem Verdampfer verbindbar sind, und dass wenigstens ein Verdrängungskörper vorgesehen ist, der zum Verdrängen des in der unter Verdampferdruck befindlichen Kammer enthaltenen Gases in den Verdampfer angeordnet ist.
- Eine bevorzugte Ausbildung (
Fig. 1 ) sieht vor, dass der wenigstens eine Verdrängungskörper als in einem Zylinder verschieblich gelagerter Verdrängungskolben ausgebildet ist. - Eine weitere bevorzugte Ausbildung sieht vor, dass die beiden Kammern über Absperrorgane jeweils mit dem Tank und mit dem Verdampfer verbunden sind, sodass sie abwechselnd mit dem Tank und mit dem Verdampfer verbunden werden können.
- Mit Vorteil verfügt jede Kammer über einen eigenen Verdrängungskörper, wobei die Verdrängungskörper beider Kammern zu synchroner Bewegung miteinander unauflöslich gekoppelt sind.
- Bevorzugt sind die insbesondere als in einem jeweiligen Zylinder verschiebbar gelagerter Verdrängungskolben ausgebildeten Verdrängungskörper mit einem in einem Betätigungszylinder verschieblich gelagerten Betätigungskolben zu synchroner Bewegung gekoppelt.
- Zur Betätigung des Betätigungskolbens sieht eine vorteilhafte Ausführung vor, dass wenigstens eine mit Gasdruck beaufschlagbare Leitung in den Betätigungszylinder mündet, sodass die Verlagerung des bzw. der Verdrängungskörper durch einseitiges Beaufschlagen des Betätigungskolbens mit dem Gasdruck erfolgt.
- Insbesondere sind zwei zu beiden Seiten des Betätigungskolbens in den Betätigungszylinder mündende, jeweils mit dem Gasdruck beaufschlagbare Leitungen vorgesehen.
- Gemäß einer bevorzugten Ausbildung ist vorgesehen, dass die eine Kammer und den Verdampfer jeweils verbindende Leitung über einen Wärmeübertrager führt.
- Um das Fluid im Tank und in der Druckschleuse in flüssigem Zustand zu halten, ist bevorzugt vorgesehen, dass der Tank und die Kammern der Druckschleuse thermisch isoliert sind.
- Weiters ist das Volumen der Kammern bevorzugt jeweils kleiner als das Volumen des Verdampfers.
- Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines in der Zeichnung schematisch dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. In dieser zeigt
Fig.1 ein Blockschaltbild einer Regasifizierungsanlage zwecks Druckspeicherung undFig.2 ein Blockschaltbild einer Anlage zur bedarfsabhängigen Regelung und Abgabe der elektrischen Ausgangsleistung eines mit regenerativer Energie betriebenen Energiewandlers. - Die Anlage gemäß
Fig. 1 umfasst einen vakuumisolierten Tank 1, in dem tiefkalt verflüssigtes Gas, wie z.B. Methan oder ein anderes tiefkalt verflüssigtes Gas, gelagert wird. Der Tank 1 ist über eine Leitung 2 und Absperrorgane 3 und 4 wahlweise mit dem Zulauf 5 des Zylinders 6 oder dem Zulauf 7 des Zylinders 8 verbunden. Die Zylinder 6 und 8 sind thermisch isoliert, insbesondere vakuumisoliert. Der Gasrückgang 9 des Zylinders 6 und der Gasrückgang 10 des Zylinders 8 sind jeweils über ein Absperrorgan 11 bzw. 12 mit dem Gasraum des Tanks 1 verbunden. Der Zulauf 5 des Zylinders 6 und der Zulauf 7 des Zylinders 8 sind jeweils über ein Absperrorgan 13 bzw. 14, eine Leitung 15 und einen Wärmetauscher 16 mit einem Verdampfer 17 verbunden. Der Gasrückgang 9 des Zylinders 6 und der Gasrückgang 10 des Zylinders 8 sind jeweils über ein Absperrorgan 18 bzw. 19 und eine Leitung 20 ebenfalls mit dem Verdampfer 17 verbunden. - Im Zylinder 6 ist ein Verdrängungskolben 21 verschieblich gelagert und im Zylinder 8 ist ein Verdrängungskolben 22 verschieblich gelagert. Die beiden Kolben 21,22 sind mittels einer starren Verbindung auf der Stange 23 miteinander verbunden und somit gemeinsam verschiebbar gelagert. Die äußeren Kammern 25 und 26 der Zylinder 6 und 8 sind im Betrieb ständig miteinander verbunden, was beispielsweise mittels einer axialen Druckausgleichsbohrung 24 erfolgt. Bei den innenliegenden Kammern 27 und 28 der Zylinder 6 und 8 handelt es sich um diejenigen Kammern der Zylinder 6 und 8, die über den Zulauf 5 bzw. 7 mit Fluid aus dem Tank 1 befüllt werden können.
- Zur Betätigung der Verdrängungskolben 21 und 22 in Richtung des Doppelpfeils 30 ist ein Betätigungskolben 40 in einem Zylinder 29 verschiebbar geführt und mit der Stange 23 starr verbunden. Der Zylinder verfügt an seinen gegenüberliegenden Enden über Zu- bzw. Abläufe 30 und 31, über welche Druckmedium auf der einen Seite zugeführt werden kann, während auf der anderen Seite eine Druckentlastung vorgenommen wird. Zur Zufuhr von Druckmedium sind die Zu- bzw. Abläufe 30 und 31 über Absperrorgane 32 und 33 mit einem Druckspeicher 34 verbunden. Zur Druckentlastung sind die Zu- bzw. Abläufe 30 und 31 über Absperrorgane 35 und 36, eine Leitung 37 und den Wärmetauscher 16 mit dem Gasraum des Tanks 1 verbunden. An den Verdampfer ist über ein Absperrorgan 38 eine Gasflasche 39 verbunden, welche mit dem im Verdampfer 17 regasifizierten Medium befüllt werden und dann abtransportiert werden kann. Der Druckbehälter 34 kann ebenfalls vom Verdampfer 17 gespeist sein.
- Die Funktionsweise der in
Fig. 1 dargestellten Regasifizierungsanlage ist nun wie folgt. Aus dem vakuumisolierten Tank 1 fließt allein durch den geodätischen Druck das verflüssigte Gas in die Kammer 27. Dazu wird das Absperrorgan 3 geöffnet und durch Öffnen des Absperrorgans 11 eine Verbindung zum Gasraum des Tanks 1 hergestellt (Gasrückgang). Ist die Kammer 27 gefüllt und das eventuell entstehende Gas aus der Kammer 27 in den Tank 1 abgeströmt, wird die Kammer 27 durch Schließen der Absperrorgane 3 und 11 vom Tank 1 getrennt. Nun wird die Verbindung zum Verdampfer 17 durch Öffnen des Absperrorgans 13 hergestellt. Auch hier besteht durch Öffnen des Absperrorgans 18 ein Gasrückgang vom Verdampferaustritt über die Leitung 20 zum Gasrückgang 9 der Kammer 27, die einen Druckausgleich herstellt und die zügige Entleerung der Kammer 27 durch den geodätischen Druck ermöglicht. - Zwischen Kammer 27 und Verdampfer 17 ist ein Wärmeübertrager 16 in Reihe zwischengeschaltet. Das Produkt fließt durch den geodätischen Druck aus der Kammer 27 zuerst in den dem Verdampfer 17 vorgelagerten Wärmeübertrager 16. Dieser liegt unter der Kammer 27, aber über dem Verdampfer 17. Daher fließt die Flüssigkeit einzig durch den geodätischen Druck in den Wärmeübertrager 16 und füllt diesen. Überschüssiges Produkt strömt durch diesen hindurch in den darunter liegenden Verdampfer 17. Dort kommt es zu einer schlagartigen Verdampfung, so dass das Produkt so lange nachströmen kann, bis die Kammer 27 geleert ist.
- In der Kammer 27 stellt sich der gleiche Druck ein wie im Verdampfer 17. In der Kammer 27 befindet sich die Kolbenstange 23, auf der sich die Kolben 21, 40 und 22 befinden. Es wird vorausgesetzt, dass sich der Kolben 21 in Endstellung auf der einen Kammerseite befindet. Der Kolben 21 wird vom Kolben 40 angetrieben, der auf der anderen Seite ebenfalls einen Kolben 22 mit gleicher Funktion bewegt. Der Kolben 40 wird mit dem Gasdruck aus dem Gasspeicher 34 beaufschlagt, sodass der Kolben 40 durch dessen Gasdruck bewegt wird. Der Kolben 40weist eine größere Angriffsfläche auf als die Kolben 21 und 22 und drückt die Kolben 21 und 22 bis an die andere Kammerwand, wodurch das Gas aus der Kammer 27 in den Verdampfer 17 gedrückt wird, bis die Kammer 27 auf dieser Seite drucklos ist. Während die eine Kammer 27 entleert wird, wird die andere Kammer 28 bei geöffneten Absperrorganen 4 und 12 mit Medium aus dem Tank 1 gefüllt.
- Zur Bewegung des Kolbens. 40 muss die der Druckbeaufschlagung durch das Gas aus dem Gasspeicher 34 gegenüberliegenden Seite des Zylinders 29 druckentlastet werden. Zu diesem Zweck wird der Druck auf dieser Seite des Zylinders 29 stoffdatenabhängig abgesenkt, wobei bei Methan eine Absenkung auf vorzugsweise 100 bar vorgenommen wird. Die zu entlastende Kammer des Zylinders 29 wird daher durch Öffnen des Absperrorgans 36 mit dem Gasraum des Tanks 1 in Verbindung gesetzt, sodass das Gas durch Drosselung oder eine Entspannungsmaschine in der verbindenden Leitung 37 bis auf den vorgegebenen Druck absinkt. Der Druck stellt sich durch einen dem Tank 1 vorgeschalteten Überströmer ein. Bevor das Gas den Überströmer erreicht, durchströmt es den Wärmeübertrager 16 und wird dort mit der auf Siedetemperatur stehenden Flüssigkeit des Tanks 1 gekühlt. Die Gastemperatur sinkt im Wärmeübertrager 16 unter die kritische Temperatur und das Gas kondensiert. Am Überströmer steht Flüssigkeit unter sehr hohem Druck an. Der Druck wird durch Öffnen des Überströmers auf den eingestellten Druck durch Entspannung in den Tank abgebaut, wobei durch die Drosselung Flüssigkeit und Gasphase oder nur Flüssigkeit anfallen. In den Tank 1 gelangt verflüssigtes Gas und eventuell etwas Gas. Der Druck steigt nicht an, da vorher Flüssigkeit aus dem Tank 1 in die Kammer 28 floss und der Flüssigkeitsspiegel gesenkt wurde.
- Der beschriebene Vorgang wird nun wiederholt, indem die Kammer 28, die mit flüssigem Medium aus dem Tank 1 befüllt wurde, mit dem Verdampfer 17 verbunden wird.
- Die Anlage gemäß
Fig. 2 umfasst einen vakuumisolierten Tank 41, in dem tiefkalt verflüssigtes Gas, wie z.B. Methan oder ein anderes tiefkalt verflüssigtes Gas, gelagert wird. Der Tank 41 ist über eine Leitung 42 und Absperrorgane 43 und 44 wahlweise mit der Kammer 45 oder der Kammer 46 des Zylinders 47 verbunden. Der Zylinder 47 ist thermisch isoliert, insbesondere vakuumisoliert. Der Gasrückgang 48 der Kammer 45 und der Gasrückgang 49 der Kammer 46 sind jeweils über ein Absperrorgan 50 bzw. 51 mit dem Gasraum des Tanks 41 verbunden. Der Zulauf der Kammer 45 und der Kammer 46 sind jeweils über ein Absperrorgan 52 bzw. 53, eine Leitung 54 und einen Wärmetauscher 55 mit einem Verdampfer 56 verbunden. Der Gasrückgang 48 der Kammer 45 und der Gasrückgang 49 der Kammer 46 sind jeweils über ein Absperrorgan 57 bzw. 58 und eine Leitung 59 ebenfalls mit dem Verdampfer 56 verbunden. - Im Zylinder 47 ist ein Verdrängungskolben 60 verschieblich gelagert. Der Kolben 60 ist mittels einer starren Verbindung auf der Stange 61 mit einem Betätigungskolben 62 verbunden, der in einem Zylinder 63 verschiebbar geführt ist. Der Zylinder 63 verfügt an seinen gegenüberliegenden Enden über Zu- bzw. Abläufe 64 und 65, über welche Druckmedium auf der einen Seite zugeführt werden kann, während auf der anderen Seite eine Druckentlastung vorgenommen wird. Zur Zufuhr von Druckmedium sind die Zu- bzw. Abläufe 64 und 65 über Absperrorgane 66 und 67 mit einem Druckspeicher 68 verbunden. Zur Druckentlastung sind die Zu- bzw. Abläufe 64 und 65 über Absperrorgane 69 und 70, eine Leitung 71 und den Wärmetauscher 55 mit dem Überstromventil 72 verbunden, wo das Gas auf Tankdruck (Zwischentank 73, der mit dem Tank 41 in Verbindung steht) entspannt wird.
- An den Verdampfer 56 ist über ein Absperrorgan 74 ein Druckspeicher 75 verbunden, welche mit dem im Verdampfer 56 regasifizierten Medium befüllt werden und dann abtransportiert werden kann. Der Druckbehälter 68 kann über ein Absperrorgan 76 ebenfalls vom Verdampfer 56 gespeist sein.
- Die Funktionsweise der in
Fig. 2 dargestellten Regasifizierungsanlage ist nun wie folgt. Aus dem vakuumisolierten Tank 41 fließt allein durch den geodätischen Druck das verflüssigte Gas in die Kammer 46. Dazu wird das Absperrorgan 43 geöffnet und durch Öffnen des Absperrorgans 51 eine Verbindung zum Gasraum des Tanks 41 hergestellt (Gasrückgang). Ist die Kammer 46 gefüllt und das eventuell entstehende Gas aus der Kammer 46 in den Tank 41 abgeströmt, wird die Kammer 46 durch Schließen der Absperrorgane 43 und 51 vom Tank 41 getrennt. Nun wird die Verbindung zum Verdampfer 56 durch Öffnen des Absperrorgans 52 hergestellt. Auch hier besteht durch Öffnen des Absperrorgans 58 ein Gasrückgang vom Verdampferaustritt über die Leitung 59 zum Gasrückgang 49 der Kammer 46, die einen Druckausgleich herstellt und die zügige Entleerung der Kammer 46 durch den geodätischen Druck ermöglicht. - Zwischen Kammer 46 und Verdampfer 56 ist ein Wärmeübertrager 55 in Reihe zwischengeschaltet. Das Produkt fließt durch den geodätischen Druck aus der Kammer 46 zuerst in den dem Verdampfer 56 vorgelagerten Wärmeübertrager 55. Dieser liegt unter der Kammer 46, aber über dem Verdampfer 56. Daher fließt die Flüssigkeit einzig durch den geodätischen Druck in den Wärmeübertrager 55 und füllt diesen. Überschüssiges Produkt strömt durch diesen hindurch in den darunter liegenden Verdampfer 56. Dort kommt es zu einer schlagartigen Verdampfung, so dass das Produkt so lange nachströmen kann, bis die Kammer 46 geleert ist.
- In der Kammer 46 stellt sich der gleiche Druck ein wie im Verdampfer 56. Im laufenden Prozess muss das ein Druck im überkritischen Bereich sein. Auf der Kolbenstange 61 befinden sich die Kolben 60 und 62. Es wird vorausgesetzt, dass sich der Kolben 60 in Endstellung auf der einen (rechten) Seite des Zylinders 47 befindet. Der Kolben 60 wird vom Betätigungskolben 62 angetrieben. Der Kolben 62 wird mit dem Gasdruck aus dem Gasspeicher 68 beaufschlagt, sodass der Kolben 62 durch dessen Gasdruck bewegt wird. Der Kolben 62 weist eine größere Angriffsfläche auf als der Kolben 60 und drückt den Kolben 60 bis an die andere Wand des Zylinders 47, wodurch das Gas aus der Kammer 46 in den Verdampfer 56 gedrückt wird, bis die Kammer 46 drucklos ist. Während die eine Kammer 46 entleert wird, wird die andere Kammer 45 bei geöffneten Absperrorganen 44 und 50 mit Medium aus dem Tank 41 gefüllt.
- Zur Bewegung des Kolbens 62 muss die der Druckbeaufschlagung durch das Gas aus dem Gasspeicher 68 gegenüberliegenden Seite des Zylinders 63 druckentlastet werden. Zu diesem Zweck wird der Druck auf dieser Seite des Zylinders 63 stoffdatenabhängig abgesenkt, wobei bei Methan eine Absenkung auf vorzugsweise 100 bar vorgenommen wird. Der Druck bewegt sich auf einer Isobaren, die in keinem Zustand den Dampfraum des Gases erreicht. Die zu entlastende Kammer des Zylinders 63 wird daher durch Öffnen des Absperrorgans 69 bzw. 70 über die Leitung 71 mit dem Gasraum des Tanks 41 in Verbindung gesetzt, sodass das Gas durch Drosselung oder eine Entspannungsmaschine in der verbindenden Leitung bis auf den vorgegebenen Druck absinkt. Der Druck stellt sich durch einen dem Tank 41 vorgeschalteten Überströmer 72 ein. Bevor das Gas den Überströmer 72 erreicht, durchströmt es den Wärmeübertrager 55 und wird dort mit der auf Siedetemperatur stehenden Flüssigkeit des Tanks 41 gekühlt. Die Gastemperatur sinkt im Wärmeübertrager 55 unter die kritische Temperatur und das Gas kondensiert. Am Überströmer 72 steht Flüssigkeit unter sehr hohem Druck an. Der Druck wird durch Öffnen des Überströmers 72 auf den eingestellten Druck durch Entspannung in den Tank 41 abgebaut, wobei durch die Drosselung Flüssigkeit und Gasphase oder nur Flüssigkeit anfallen. In den Tank 41 gelangt verflüssigtes Gas und eventuell etwas Gas. Der Druck steigt nicht an, da vorher Flüssigkeit aus dem Tank 41 in die Kammer 45 floss und der Flüssigkeitsspiegel gesenkt wurde.
- Der beschriebene Vorgang wird nun wiederholt, indem die Kammer 45, die mit flüssigem Medium aus dem Tank 41 befüllt wurde, mit dem Verdampfer 56 verbunden wird.
- Bis hierher entspricht das Ausführungsbeispiel gemäß
Fig. 2 im Wesentlichen dem Ausführungsbeispiel gemäßFig. 1 . Anhand derFig. 2 soll nun gezeigt werden, dass das oben beschriebene Regasifizierungsverfahren im Rahmen einer Anlage zur bedarfsabhängigen Regelung und Abgabe der elektrischen Ausgangsleistung eines mit regenerativer Energie betriebenen Energiewandlers genutzt werden kann. Zu diesem Zweck ist ein Energiewandler als Windkraftanlage 77 vorgesehen. Der von der Windkraftanlage 77 erzeugte Strom wird einer Einrichtung 78 zugeführt, die in der Lage ist zwischen verschiedenen Stromquellen hin- und herzuschalten oder diese zusammenzuschalten, um eine Luftverflüssigungsanlage oder einen Luftzerleger 79 mit Strom zu versorgen. Die Anlage 79 verflüssigt nun beispielweise die Umgebungsluft, wobei das Flüssigprodukt in einem atmosphärischen Tank 80 gelagert wird. Von dort gelangt das Flüssigprodukt über eine Pumpe 81 in den Niederdrucktank 41. - In Zeiten eines Angebotsüberschusses an Strom wird der von der Windkraftanlage 77 erzeugte Strom für den Betrieb der Luftverflüssigungsanlage 79 verwendet. Die im Flüssigprodukt gespeicherte Energie kann bei Bedarf wiedergewonnen werden, indem das verflüssigte Gas regasifiziert wird, was mit dem oben beschriebenen Verfahren erfolgen kann. Das so erzeugte Hochdruckgas wird im Gasspeicher, wie z.B. in Gasflaschen 75 gespeichert. Wie nachfolgend, beschrieben, kann die durch die Regasifizierung freigewordene Energie wie folgt in elektrische Energie umgewandelt werden:
- Antreiben einer Druckerhöhungsvorrichtung mit Hilfe des Drucks des regasifizierten Gases,
- Verwenden der Druckerhöhungsvorrichtung, um ein flüssiges Medium, beispielsweise Wasser zu verdichten und in eine Turbine zu pressen, wo dieses entspannt wird,
- Antreiben eines elektrischen Generators mit Hilfe der Turbine, um elektrische Energie zu erhalten.
- Beim Ausführungsbeispiels gemäß
Fig. 2 umfasst die Druckerhöhungsvorrichtung eine Druckschleuse 82, die auf der einen Seite einen Zylinder 83 und auf der andern Seite einen Zylinder 84 mit kleinerem Querschnitt umfasst. Im Zylinder 83 und im Zylinder 84 ist jeweils ein Kolben 85,86 verschiebbar geführt, wobei die beiden Kolben 85,86 starr miteinander gekoppelt sind. Auf der Seite mit dem größeren Kolbendurchmesser wird die Druckschleuse durch Öffnen des Absperrorgans 87 bzw. 88 mit dem Gas aus dem Gasspeicher 75 beaufschlagt. Die Druckentlastung der jeweils gegenüberliegenden Seite des Zylinders 83 erfolgt über das Absperrorgan 89 bzw. 90, den Wärmeüberträger 91 und das Überströmventil 92 auf Tankdruck des Tanks 41 bzw. 73. - Die kleinere Seite der Druckschleuse 82, d.h. die Kammern des Zylinders 84 werden abwechselnd mit einer Flüssigkeit, vorzugsweise Wasser, gefüllt. Dieses Wasser wird mit dem Gasdruck in die Turbine 94 gepresst, die an einen Generator 95 gekoppelt ist. Der Generator erzeugt den Strom für den Netzbedarf. Während sich der Kolben 86 in eine Richtung bewegt, wird die Flüssigkeit bzw. das Wasser in die Turbine 94 gedrückt und auf der-Kolbenrückseite strömt Wasser nach. Der Gasdruck und folglich der Druck am kleineren Kolben 86 wird durch den Kolben 85 des großen Zylinders 83 bereitgestellt. Damit dieser sich bewegt, wird der Gasdruck an der anderen Kolbenseite abgesenkt, sodass der sich einstellende Differenzdruck den Zulaufdruck zur Turbine 94 definiert.
- Der Prozess wird durch Absperrarmaturen gesteuert. Durch deren Öffnung wird die jeweilige Zylinderkammer mit vorteilhafter Weise drucklosem Wasser gefüllt, bzw. die druckgasführende Seite auf einen niederen Druck abgesenkt. Der Druck sollte im TS - Diagramm links des kritischen Punktes liegen. Das abströmende Gas wird in den Wärmeübertrager 91 geleitet, wo es unter die kritische Temperatur gekühlt wird, sodass ein Teil des Gases kondensiert. Im Überströmventil 92 erfolgt die Entspannung auf Tankdruck. Der Gasanteile beschreibt den möglichen Wirkungsgrad des Verfahrens.
- Bezüglich der Prozesssteuerung besteht der Energiespeicherprozess aus zwei von einander völlig unabhängig arbeitenden Kreisläufen. Der eine ist der Gasverflüssigungsprozess. Bei diesem wird der volatil anfallende Strom des Windrades oder einer Photovoltaikanlage im Verflüssiger 79 zur Gänze zur Gasverflüssigung genutzt. Das verflüssigte Gas ist das Speichermedium und wird in entsprechenden Tanks bevorratet. Im Fall des Strombedarf des zu versorgenden Netzes wird Flüssigkeit aus diesem Speicher entnommen und der Regasifizierung zugeführt, damit mit diesem Gas die stromerzeugende Turbine 94, gekoppelt mit dem Generator 95, angetrieben werden kann und das Stromnetz bedarfsgerecht versorgt.
- Es ist unwahrscheinlich, dass die Windrad/PhotovoltaikAnlage Strom liefert, der die Fahrweise des Verflüssigers 79 am optimalen Punkt gewährleistet. Wenn der Verflüssigers 79 nicht am optimalen Betriebspunkt arbeitet, ist die Flüssigkeitsausbeute gering, sodass der unter günstigen Bedingungen erreichbare Wirkungsgrad nicht erreicht wird. Um diesen Zustand zu vermeiden, kann an der Turbine95 der Netzversorgung so viel Strom erzeugt werden, dass Strom für den optimalen Betrieb des Verflüssigers 79 abgezweigt wird (Stromverbindung 96) und ggf. das Netz zu 100% versorgt wird.
- Ist der von der Turbine 95 zu produzierende Strombedarf für den Verflüssiger 79 geringer als der Verlust auf Grund eines schlechten Wirkungsgrades des Verflüssigers 79, kann der Verflüssiger 79 abgeschaltet werden bzw. in den stand-by-Betrieb gehen.
- Beispiel: Der Verflüssiger 79 hat einen Bedarf von 100 Einheiten, der Wirkungsgrad der Verflüssigung liegt bei 80%. Leistet die Turbine 94 100 Einheiten und das Windrad 77 produziert 10 Einheiten, so wird der Verflüssiger in den stand-by-Betrieb gehen. Produziert das Windrad 30 Einheiten, so werden netto 10 Einheiten gespeichert.
Claims (14)
- Verfahren zum Regasifizieren von tiefkalt verflüssigtem Gas, wie z.B. Methan, bei dem eine Teilmenge des in einem Tank befindlichen tiefkalt verflüssigten Gases vom Tank über eine Druckschleuse einem Verdampfer zugeführt wird, in dem diese Teilmenge verdampft, worauf die verdampfte Gasmenge in einen Hochdruckgasspeicher abgefüllt, in ein Leitungsnetz eingespeist oder einem Energiewandler zur Erzeugung elektrischer Energie zugeführt wird, wobei die Druckschleuse zwei Kammern (27,28) umfasst, die abwechselnd mit einer Teilmenge des tiefkalt verflüssigten Gases aus dem Tank (1) befüllt werden, dadurch gekennzeichnet, dass die mit der Teilmenge befüllte Kammer (27;28) nach dem jeweiligen Füllvorgang von dem Tank (1) getrennt und mit dem Verdampfer (17) verbunden wird, worauf sich ein Druckausgleich zwischen dem Verdampfer (17) und der mit diesem verbundenen Kammer (27;28) einstellt, und dass anschließend wenigstens ein Verdrängungskörper (21;22) derart verlagert wird, dass das in der sich unter Verdampferdruck befindlichen Kammer (27;28) enthaltene Gas zumindest teilweise in den Verdampfer (17) verdrängt und die andere Kammer (28;27) mit einer Teilmenge des tiefkalt verflüssigten Gases aus dem Tank (1) befüllt wird.
- Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Kammern (27,28) abwechselnd mit dem Tank (1) und mit dem Verdampfer (17) verbunden werden.
- Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Teilmenge des tiefkalt verflüssigten Gases aus dem Tank (1) unter einem geodätischen Druck in die Kammer (27,28) gefüllt wird.
- Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Gas unter einem geodätischen Druck von der Kammer (27,28) in den Verdampfer (17) verbracht wird.
- Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbringung des Gases von der Kammer (27,28) in den Verdampfer (17) über einen Wärmetauscher (16) erfolgt, in welchem dem verflüssigten Gas Wärme zugeführt wird.
- Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Kammer (27;28) ein eigener Verdrängungskörper (21;22) zugeordnet ist, wobei die Verdrängungskörper (21;22) zum gleichzeitigen Verdrängen des Gases aus der einen Kammer (27;28) in den Verdampfer (17) und Befüllen der anderen (28;27) Kammer mit tiefkalt verflüssigtem Gas aus dem Tank (1) synchron bewegt werden.
- Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Verlagerung des bzw. der Verdrängungskörper (21,22) durch Beaufschlagen mit Gasdruck erfolgt, insbesondere mit Gasdruck aus einem vom Verdampfer (17) gespeisten Hochdruckgasspeicher (34).
- Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass ein Betätigungskolben (40) in einem Betätigungszylinder (29) verschieblich und zur synchronen Bewegung mit dem bzw. den Verdrängungskörper(n) (21,22) gelagert ist und die Verlagerung des bzw. der Verdrängungskörper (21,22) durch einseitiges Beaufschlagen des Betätigungskolbens (40) mit Gasdruck erfolgt, nachdem oder während an der der Beaufschlagung gegenüberliegenden Seite des Betätigungskolbens (40) ein Druckablass erfolgt bzw. erfolgt ist, wobei bevorzugt der Druckablass dadurch erfolgt, dass das an der der Beaufschlagung gegenüberliegenden Seite des Betätigungskolbens (40) befindliche Gas vorzugsweise bis zur Kondensation gekühlt und durch Drosselung entspannt wird und als verflüssigtes und gasförmiges Gas dem Tank (1) rückgeführt wird, wobei besonders bevorzugt das Gas zu dessen Kondensation über den Wärmetauscher (16) geführt und im Wärmeaustausch mit dem von der Kammer (27;28) in den Verdampfer (17) geführten Flüssigkeit gekühlt wird, wobei die Kondensation im Wärmetauscher (16) bevorzugt bei konstantem Druck vorgenommen wird und eine Abkühlung bis zu einer Isobaren im T,s-Diagramm vorgenommen wird, die links des kritischen Punktes und außerhalb des Dampfbereichs liegt.
- Vorrichtung zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 8, umfassend einen Tank (1) für tiefkalt verflüssigten Gas, einen Verdampfer (17) und eine zwischen dem Tank und dem Verdampfer angeordnete Druckschleuse, wobei die Druckschleuse zwei Kammern (27,28) umfasst, die abwechselnd mit einer Teilmenge des tiefkalt verflüssigten Gases aus dem Tank (1) befüllbar sind und die nach dem jeweiligen Füllvorgang von dem Tank (1) trennbar und mit dem Verdampfer (17) verbindbar sind, und dass wenigstens ein Verdrängungskörper (21,22) vorgesehen ist, der zum Verdrängen des in der unter Verdampferdruck befindlichen Kammer (27,28) enthaltenen Gases in den Verdampfer (17) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass eine eine Kammer (27;28) und den Verdampfer (17) jeweils verbindende Leitung (15) über einen Wärmeübertrager (16) führt.
- Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens eine Verdrängungskörper (21,22) als in einem Zylinder verschieblich gelagerter Verdrängungskolben ausgebildet ist.
- Vorrichtung nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Kammern (27,28) über Absperrorgane (3,4,11,12; 13,14,18,19) jeweils mit dem Tank (1) und mit dem Verdampfer (17) derart verbunden sind, dass sie abwechselnd mit dem Tank (1) und mit dem Verdampfer (17) verbunden werden können.
- Vorrichtung nach Anspruch 9, 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass jede Kammer (27;28) über einen eigenen Verdrängungskörper (21;22) verfügt, wobei die Verdrängungskörper (21;22) beider Kammern (27;28) zu synchroner Bewegung miteinander gekoppelt sind, wobei bevorzugt die insbesondere als in einem jeweiligen Zylinder (6;8) verschiebbar gelagerte Verdrängungskolben (21;22) ausgebildete Verdrängungskörper mit einem in einem Betätigungszylinder (29) verschieblich gelagerten Betätigungskolben (40) zu synchroner Bewegung gekoppelt sind, wobei besonders bevorzugt wenigstens eine mit Gasdruck beaufschlagbare Leitung in den Betätigungszylinder (29) mündet, sodass die Verlagerung des bzw. der Verdrängungskörper (21,22) durch einseitiges Beaufschlagen des Betätigungskolbens (40) mit Gasdruck erfolgt, wobei besonders bevorzugt zwei zu beiden Seiten des Betätigungskolbens (40) in den Betätigungszylinder (29) mündende, jeweils mit dem Gasdruck beaufschlagbare Leitungen vorgesehen sind.
- Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Tank (1) und die Kammern (27,28) der Druckschleuse thermisch isoliert sind.
- Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Volumen der Kammern (27,28) jeweils kleiner ist als das Volumen des Verdampfers (17) und ggf. ihm nachgeschalteter Behältnisse.
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