EP3857032B1 - Verfahren zum betrieb eines kraftwerkes zur erzeugung von elektrischer energie durch verbrennung eines kohlenstoffhaltigen brennstoffs und entsprechendes system zum betreiben eines kraftwerkes - Google Patents

Verfahren zum betrieb eines kraftwerkes zur erzeugung von elektrischer energie durch verbrennung eines kohlenstoffhaltigen brennstoffs und entsprechendes system zum betreiben eines kraftwerkes Download PDF

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EP3857032B1
EP3857032B1 EP19733695.1A EP19733695A EP3857032B1 EP 3857032 B1 EP3857032 B1 EP 3857032B1 EP 19733695 A EP19733695 A EP 19733695A EP 3857032 B1 EP3857032 B1 EP 3857032B1
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Definitions

  • the subject matter of the present invention is a method for operating a power plant for generating electrical energy for delivery to at least one consumer by burning a carbonaceous fuel with carbon dioxide separation and a corresponding system for operating such a power plant.
  • the object of the present invention is to at least partially overcome the disadvantages known from the prior art and in particular to achieve an improvement in the overall efficiency of a power plant with downstream carbon dioxide separation.
  • a carbon-containing fuel is preferably understood to mean fossil fuels such as coal, in particular lignite or hard coal, crude oil and/or natural gas, and also biomass and residues such as tar, garbage and/or production waste.
  • fossil fuels such as coal, in particular lignite or hard coal, crude oil and/or natural gas, and also biomass and residues such as tar, garbage and/or production waste.
  • a heat engine for generating electrical energy allows in particular an increase in the power output of the system of power plant and heat engine at peak loads.
  • a heat engine can be started up quickly and can be controlled over a wide range with regard to the amount of electricity delivered, which does not apply to conventional fossil-fired power plants or only applies to a limited extent. This makes it possible to react quickly in the event of peak loads and/or a drop in the energy fed into a power grid, in particular from regenerative energy sources, in order to ensure grid stability.
  • the generation of warm exhaust gas in the heat engine allows flexible use of the thermal energy contained therein to further increase the efficiency of the overall system consisting of power plant, carbon dioxide separation, fuel synthesis and, if necessary, other components such as fuel processing or fuel drying.
  • the heating of the combustion air of a power plant is understood in particular to mean that the combustion air used in a furnace of the power plant, for example a pulverized coal furnace, is heated before it flows into the furnace.
  • the heating can take place in an air preheater, which is operated, for example, by flue gas from the power plant and to which exhaust gas from the heat engine is now fed at least temporarily, so that the temperature and/or the volume flow of the mixture of flue gas and exhaust gas can be increased.
  • the heating of the process medium of the power plant is understood in particular as the heating of water, which is heated to generate steam by the furnace of the power plant and which, for example after flowing through the furnace as steam under pressure, is fed to at least one turbine for expansion with simultaneous power generation.
  • Use in drying the fuel of the power plant is understood to mean that the waste heat from the exhaust gas of the heat engine is used in drying the fuel. This is particularly advantageous when considering a coal-fired power plant, since lignite in particular has to dry before it can be converted into electricity. Particularly in the case of dust-fired power plants, drying can also include grinding. Even when generating electricity of biomass, it is advantageously possible to at least partially dry it with the waste heat from the heat engine before it is fed to the furnace.
  • waste heat serves as a heat source in such a carbon dioxide separation process.
  • the waste heat can at least partially provide energy for heating a solvent flow, so that input of other energy, for example via hot steam, can be reduced.
  • An embodiment is preferred in which the exhaust gas is fed to the flue gas of the power plant.
  • Flue gas and at least part of the exhaust gas are thus mixed. Since at least part of the waste heat is regularly removed from the flue gas to increase efficiency, the efficiency of the overall system can be increased in a simple manner, since the admixture of the exhaust gas allows the temperature of the mixture to be adjusted, preferably an increase in the temperature of the mixture , can be achieved and thermal use can take place in already existing facilities such as heat exchangers.
  • the admixture to the flue gas is also preferably carried out after part of the waste heat of the exhaust gas has already been used for at least one of the processes a) to d).
  • the process medium preferably includes water and/or steam.
  • Steam and water are regularly circulated as the process medium by the furnace of the power plant, in order to drive at least one turbine to generate electricity through the pressurized steam generated, as a result of which the steam is expanded and, if necessary, at least partially condensed into water, which is then heated and evaporated again becomes.
  • the efficiency of the corresponding process and thus the overall efficiency of the power plant can be increased.
  • the heat engine comprises a diesel engine and/or an Otto engine.
  • a diesel engine in particular has proven to be particularly efficient, since on the one hand it can be operated with high efficiency and on the other hand the fuel is dimethyl ether or methanol or mixtures comprising dimethyl ether and methanol, which are preferably synthesized from carbon dioxide can be burned directly in this.
  • the fuels methane and methanol can advantageously be burned in a gas engine, in particular a gas Otto engine or a gas diesel engine.
  • a gas Otto engine or a gas diesel engine in addition to a diesel engine, an Otto engine or a Stirling engine can also preferably be used as the internal combustion engine.
  • methanol and methane can be used as raw materials for the synthesis of other fuels.
  • both methanol and methane can be burned directly in heat engines.
  • DME is particularly preferred since DME is also available as a raw material for the synthesis of other substances and, moreover, burns with practically no soot.
  • the method described here leads to an increase in overall efficiency and a reduction in carbon dioxide emissions as well as emissions of nitrogen oxides (NO x ) and soot.
  • DME is preferably obtained via a catalytic conversion of carbon dioxide with (electrolytically generated) hydrogen.
  • An embodiment is preferred in which the at least one consumer of electrical energy is connected to the power plant via a power grid.
  • the supply of a power grid in which several electrical consumers are usually at least partially connected to the power plant for power supply are is a preferred application of the present invention.
  • the heat engine also feeds the generated electrical energy at least partially into the power grid.
  • a procedure in which the heat engine is operated as a function of the electrical load in the power grid is preferred.
  • this allows the heat engine to be switched on when a nominal output of the power plant is exceeded, ie a higher electrical power would have to be fed into the power grid than the power plant can nominally deliver, ie a peak load situation is present.
  • a pure (binary) connection of the heat engine can take place, but operation can also take place depending on the electrical load in the power grid, in which the power output of the heat engine takes place at least in some areas depending on the requested load in the power grid.
  • the heat engine is therefore preferably operated in such a way that the electrical power it outputs is defined as a function of the electrical load in the power grid.
  • a procedure in which the carbon dioxide is converted into fuel as a function of the electrical load in the power grid is also preferred.
  • a portion of the power provided by the power plant can then be used for synthesizing the fuel when the load is below the nominal power of the power plant.
  • the system preferably also comprises at least one mixer for mixing exhaust gas (from the heat engine) and a flue gas from the power plant.
  • the inventive method and the inventive system allow a significant increase in the overall efficiency of the system compared to conventionally operated power plants with carbon dioxide capture or in Compared to synthesis plants for the synthesis of a fuel from carbon dioxide from other sources, such as from the air.
  • figure 1 shows schematically a power plant 1.
  • a carbonaceous fuel is burned, thereby generating steam, which in turn has the Relaxation over at least one turbine used to generate electrical energy.
  • the resulting flue gas from power plant 1 contains carbon dioxide.
  • the power plant 1 is preferably a fossil-fired power plant, in which fossil fuels such as coal, in particular lignite or hard coal, oil and/or gas are burned, and/or a power plant for burning biomass. In this case, the configuration as a dry lignite-fired power plant is preferred.
  • the scheme shown in figure 1 does not refer to the design of the power plant 1 as such, which is known, rather shows figure 1 the thermal interaction of certain elements of the power plant 1 and other elements.
  • the overall system has a carbon dioxide separation system 2 and a drying system 3 .
  • the system shown also includes a heat engine 4.
  • a typical carbon dioxide separation process is based on what is known as an amine scrubbing, in which the gas containing carbon dioxide (e.g. the flue gas from power plant 1) is washed with an alkaline aqueous solution of amines, for example monoethanolamine (MEA), diethanolamine (DEA), methyldiethanolamine (MDEA), piperazine (PZ), aminomethylpropanol (AMP) and/or diglycolamine (DGA), and the carbon dioxide is separated from the gas by alternating absorption and desorption processes.
  • MEA monoethanolamine
  • DEA diethanolamine
  • MDEA methyldiethanolamine
  • PZ piperazine
  • AMP aminomethylpropanol
  • DGA diglycolamine
  • the carbon dioxide separation system 2 comprises an absorber 201 and a desorber 202.
  • the absorber 201 is flowed through by the flue gas 7 of the power plant 1.
  • the exhaust gas 203 which essentially consists of nitrogen, leaves the absorber 201 ; the carbon dioxide was dissolved in a solvent, an aqueous solution of at least one amine, in the absorber 201 .
  • the absorber 201 is supplied with a first solvent inflow 204 charged, a first solvent effluent 205 is discharged from the absorber 201.
  • the first solvent inflow 204 is low in carbon dioxide, while the first solvent outflow 205 is rich in carbon dioxide.
  • the first solvent inflow 204 is fed to the absorber 201 at a comparatively low temperature of about 40-60°C.
  • the first solvent effluent 205 is fed to a heat exchanger 206 which is designed as a countercurrent heat exchanger.
  • the first solvent effluent 205 is heated in the heat exchanger 206 by heat exchange with a second solvent effluent 207 .
  • This second solvent outflow 207 leaves the desorber 202.
  • the second solvent outflow 207 is also low in carbon dioxide, but is at a significantly higher temperature level than the first solvent inflow 204 when it flows into the absorber 201. Consequently, the second solvent outflow 207 heats up via the heat exchanger 206 the second solvent outflow 205 which, after heating, is fed to the desorber 202 as the second solvent inflow 208 .
  • hot vapor (desorber vapor 212), which is generated from solvent in a reboiler 209, flows against the solvent stream.
  • a partial flow of the solvent which is drawn off in the desorber sump 214 of the desorber 202, is heated by steam 213, here low-pressure steam.
  • the solvent releases the carbon dioxide again, this is drawn off at the top of the desorber 202 as a carbon dioxide stream 210 and then cooled by a cooler 211 and sent for further use.
  • FIG. 3 shows an example of conventional drying for lignite in a drying plant 3.
  • Raw lignite 301 is fed to a raw lignite bunker 302 and from there fed to a dryer 304 via various mills 303 as required.
  • the dryer 304 is operated via steam 305 heated, which gives off its heat to the lignite to be dried, finely ground in the mills 303, and leaves the dryer 304 as condensate 306 again.
  • the dried lignite also referred to as dry lignite 307, is discharged from the dryer 304 via a cooler 308. After any subsequent grinding in a mill 309, the dry lignite 307 produced in this way can be put to further use, for example for firing in a power plant 1.
  • the vapors 310 arising in the dryer 304 are cleaned in a filter 311 of the lignite dust contained therein, which is also added to the dry lignite 307. After filtering, the vapors 310 are condensed in a vapor condenser 312 through which, for example, a process medium (boiler feed water) or combustion air flows, which are thereby heated. The resulting vapor condensate 313 is discharged.
  • the vapor 310 can optionally be compressed via a vapor compressor 314 .
  • the power plant 1 has - with reference again to figure 1 - from a thermal point of view, on the one hand there are heat sources, i.e. process areas that provide heat or from which heat is to be dissipated that can be used in other processes. This is - in addition to the in figure 1 flue gas not shown - for example around a turbine 5 (see figure 1 ), Through which a generator, not shown, is driven to generate electricity.
  • heat sources i.e. process areas that provide heat or from which heat is to be dissipated that can be used in other processes.
  • This is - in addition to the in figure 1 flue gas not shown - for example around a turbine 5 (see figure 1 ), Through which a generator, not shown, is driven to generate electricity.
  • the turbine 5, particularly in modern power plants 1, is often a combination of a high-pressure turbine, in which the steam generated is first expanded from a high pressure level to a medium pressure level, and at least one additional turbine connected thereto, for example a low-pressure turbine, in which the vapor from a medium pressure level to a low pressure level is expanded or a combination of a medium-pressure and a low-pressure turbine.
  • the turbines each drive a generator to generate electricity.
  • the steam present when leaving the turbine 5 is comparatively warm, in particular has temperatures of 100° C. [degrees Celsius] to 300° C. It is led to heat sinks, ie used in process steps that are endothermic, ie in process steps that require the supply of thermal energy, which the steam supplied supplies, to carry them out. This is necessary, for example, as part of carbon dioxide separation 2 in detergent regeneration 6 .
  • the steam can be fed to a drying system 3 .
  • Another heat source in the system is, for example, the desorber vapor 212 of the carbon dioxide separation plant 2 (cf.
  • the desorber vapor 212 can be used to preheat the combustion air of the power plant 1 by supplying the desorber vapor 212 to an air preheater 11 .
  • Further heat sources are, for example, the vapors 310 of the drying system 3, depending on the use of a vapor compressor 314 as uncompressed vapor 17 or as compressed vapor 18.
  • the corresponding vapor 310 can be used as a heat source, for example for preheating the feed water of the boiler of the power plant 1, condensate preheating or a Serve preheating of the steam supplied to a high-pressure or low-pressure turbine.
  • the vapor 310 can be used to preheat the combustion air of the power plant 1.
  • the system further comprises at least one heat engine 4, which can increase the electric power output of the power plant 1 at times of increased load.
  • This is a diesel engine and/or an Otto engine.
  • This heat engine 4 is operated with a fuel that is generated from the carbon dioxide, which is separated in the carbon dioxide separation system 2 and then converted into a fuel, for example DME.
  • the combustion of the fuel produces an exhaust gas 8, which also represents a heat source. at least part of the thermal energy of the exhaust gas 8 being used in at least one of the described processes a) to d).
  • a boiler system (not shown) for generating and, if necessary, at least temporarily superheating steam is operated by the furnace 9 .
  • a combustion air 10 that is to be fed to the furnace 9 is heated.
  • an air preheater 11 is formed, which includes a heat exchanger, via which the combustion air 10 is usually heated via a heat exchange with the flue gas 7 of the power plant 1.
  • exhaust gas 8 from the heat engine 4 is mixed with the flue gas 7 upstream of the air preheater 11 at least temporarily. This causes an increase in the efficiency of the power plant 1 by increasing the temperature of the combustion air 10 reached in the air preheater 11.
  • figure 5 shows an alternative situation in which the air preheater 11 is operated exclusively with exhaust gas 8 from the heat engine 4.
  • a mixing device not shown here, is preferably formed, through which the exhaust gas 8 is mixed with the flue gas 7 and the mixing ratio between the flue gas 7 and the exhaust gas 8 can be varied.
  • FIG. 6 shows schematically another section of a power plant 1, which is designed as a coal-fired power plant with pulverized coal firing as the furnace 9.
  • a drying system 3 is designed here, which in principle can be used, for example, as in 3 shown is executed. Reference is made to the statements made regarding this figure.
  • the corresponding dryer 304 is usually operated with steam 305 .
  • the corresponding dryer 305 can be operated at least partially with waste heat 12 which, for example, is transferred from the exhaust gas 8 of the heat engine 4 to the steam 305 in a heat exchanger (not shown).
  • the exhaust gas 8 which has been slightly cooled in the heat exchanger, can be fed to the flue gas 7 in particular upstream of an air preheater 7 . As a result, the efficiency of the entire power plant 1 is increased.
  • a process medium preheater 13 is formed, through which a process medium 14, for example water and/or steam, can be warmed up and/or overheated before it is passed through the furnace 9.
  • a process medium 14 for example water and/or steam
  • the process medium preheater 13 which is designed here as a heat exchanger, is simultaneously flowed through by the exhaust gas 8 of the heat engine 4 , so that the waste heat 12 of the exhaust gas 8 is used to heat the process medium 13 .
  • the exhaust gas 8 cooled in this way can then be added to the flue gas 7 of the power plant upstream of an air preheater 11 .
  • a reboiler 209 is also provided here, by means of which the solvent in the desorber 202 is heated.
  • the reboiler 209 is also at least partially heated here, at least at times, by waste heat 12 from the heat engine 4 .
  • a heat exchanger (not shown here) is preferably formed, through which at least part of the waste heat 12 is transferred from the exhaust gas 8 to the steam 213, for example.
  • the exhaust gas 8 cooled in this way can then, for example, be mixed with the flue gas 7 of the power plant 1 upstream of an air preheater 11 and/or a process medium preheater 13 .
  • the overall efficiency of the power plant 1 can be increased.
  • FIG. 9 shows very schematically a power plant 1, which is connected to a power grid 15 with a plurality of consumers 16.
  • a power grid 15 with a plurality of consumers 16.
  • the carbon dioxide in the exhaust gas 8 of the heat engine 4 can be at least partially separated out again, so that a carbon dioxide cycle can be created which, on the one hand, Emissions of carbon dioxide reduced and on the other hand allows a further increase in the overall efficiency of the power plant 1.
  • FIG. 10 shows schematically a system 100 for operating a power plant 1, in particular proposed according to the method according to the invention, comprising the power plant 1, a carbon dioxide separation plant 2 and a synthesis plant 101 for synthesizing a fuel from carbon dioxide.
  • the flue gas 7 is fed to the carbon dioxide separation plant 2 .
  • the carbon dioxide 19 separated there is fed to the synthesizing plant 101 .
  • the fuel 20 synthesized in the synthesis plant 101 for example DME, is stored in a store 102 .
  • the system 100 also includes a heat engine 4 through which the fuel 20 can be combusted to generate electrical energy and exhaust gas 8 .
  • the exhaust gas 8 can be fed to a mixer 103 in which it can be mixed with the flue gas 7 directly downstream of the power plant 1 and/or with the flue gas 7 after leaving the carbon dioxide separation plant 2 .
  • the exhaust gas 8 can also initially serve as a heat source in the carbon dioxide separation system 2 and then be fed into the mixer 103 .
  • the mixer 103 is preferably also operated in such a way that the mixture of flue gas 7 and exhaust gas 8 is finally fed to the carbon dioxide separation plant 2 for separating the carbon dioxide.
  • the power plant 1 is supplied with dry lignite 307 from a drying plant 3 which is burned with combustion air 8 .
  • the combustion air 8 is heated in an air preheater 11, which is at least partially heated with flue gas 7 and/or exhaust gas 8, which is discharged from the mixer 103.
  • a process medium 14 such as water is supplied to the power plant 1 via a process medium preheater 13 .
  • the process medium 13 is preheated at least partially via flue gas 7 and/or exhaust gas, which is discharged from the mixer 103 . That Exhaust gas 8 can alternatively or additionally be passed through the drying system 3 before it flows into the mixer 103 .

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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. Ähnliche Prozesse sind aus der DE 10 2011 013 922 A1 und der US 2016/0237858 A1 bekannt.
  • 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 wird in Anspruch 1 definiert.
  • 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.
  • Erfindungsgemäß umfasst die Wärmekraftmaschine einen Dieselmotor und/oder einen Ottomotor.
  • 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 (NOX) 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 erfindungsgemäß ein System in Anspruch 8 definiert.
  • 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:
    • Fig. 1
    ein System aus einem Kraftwerk mit Kohlendioxidabscheidung und Wärmekraftmaschine;
    Fig. 2
    ein Beispiel einer Kohlendioxidabscheideanlage als Teil eines Systems zum Betrieb eines Kraftwerkes;
    Fig. 3
    ein Beispiel einer Trocknungsanlage als fakultatives Element eines Systems zum Betrieb eines Kraftwerkes;
    Fig. 4 bis 8
    Details eines Kraftwerkes;
    Fig. 9
    ein Beispiel eines Stromnetzes mit Verbrauchern; und
    Fig. 10
    ein Beispiel eines Systems mit einem Kraftwerk.
  • Im Folgenden sind gleiche Elemente mit gleichen Bezugszeichen versehen. Figur 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 Figur 1 bezieht sich dabei nicht auf die Ausbildung des Kraftwerks 1 als solches, welches bekannt ist, vielmehr zeigt Figur 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 Fig. 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.
  • Fig. 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 Figur 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 Figur 1 nicht gezeigten Rauchgas - beispielsweise um eine Turbine 5 (siehe Figur 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 °C auf. 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 Fig. 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 Dieselmotor und/oder einen Ottomotor. 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 Fig. 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.
  • Fig. 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.
  • Fig. 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 Fig. 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.
  • Fig. 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.
  • Fig. 8 zeigt schematisch ein Detail einer Kohlendioxidabscheideanlage 2 eines Kraftwerkes, wie beispielsweise die in Figur 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.
  • Fig. 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.
  • Fig. 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

Claims (9)

  1. 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, wobei 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) des 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,
    dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmekraftmaschine (4) einen Dieselmotor und/oder einen Ottomotor umfasst.
  2. 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.
  3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das Prozessmedium (14) Wasser umfasst.
  4. 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).
  5. 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.
  6. Verfahren nach Anspruch 5, bei dem die Wärmekraftmaschine (4) in Abhängigkeit von der elektrischen Last im Stromnetz (15) betrieben wird.
  7. 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.
  8. System (100) zum Betrieb eines Kraftwerkes (1) umfassend das Kraftwerk (1),
    eine Kohlendioxidabscheideanlage (2),
    eine Synthesesanlage (101) zur Synthese eines Kraftstoffs (20) aus Kohlendioxid (19),
    wobei 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) des 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),
    dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmekraftmaschine (4) einen Dieselmotor und/oder einen Ottomotor umfasst.
  9. System nach Anspruch 8, weiterhin umfassend mindestens einen Mischer (103) zur Mischung von Abgas (8) und einem Rauchgas (7) des Kraftwerks (1).
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