WO2019228809A1 - Kraftwerksanlage mit elektrolyseur und brennstoffsynthese - Google Patents

Kraftwerksanlage mit elektrolyseur und brennstoffsynthese Download PDF

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WO2019228809A1
WO2019228809A1 PCT/EP2019/062459 EP2019062459W WO2019228809A1 WO 2019228809 A1 WO2019228809 A1 WO 2019228809A1 EP 2019062459 W EP2019062459 W EP 2019062459W WO 2019228809 A1 WO2019228809 A1 WO 2019228809A1
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turbine
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Thomas ACHTER
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Siemens Aktiengesellschaft
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    • Y02P20/10—Process efficiency
    • Y02P20/129—Energy recovery, e.g. by cogeneration, H2recovery or pressure recovery turbines

Definitions

  • thermal power plants which are supplied with fossil or biological fuel and emit C02 (hereinafter referred to as thermal power plants), are increasingly under political and legal pressure, emissions
  • C02 carbon dioxide
  • C02Capture wet-chemical scrubbing with an absorbent
  • Thermal power plants are preferably under near
  • thermal power plants which are used for heating purposes of apartments or industrial plants or as process steam in industry for certain
  • thermal processes is needed. This requires that a thermal power plant is run in a heat-controlled manner, which limits the ability to provide network services.
  • Secondary control power reserves are available, for example, by throttled steam valves, additional boiler firing or gas turbine overfire, which can be provided in the second to minute range. Within 10-20 minutes there are more for tertiary control
  • thermal power plants are operated on the grid and
  • the object of the invention is to provide a device and a
  • thermal power plants can be improved together with renewable energy generators in the same power grid of the kind that a higher grid stability exists. It is another object of the invention to avoid or reduce shutdown of volatile regenerative energy sources due to network congestion, so that harmful C02 emissions are reduced in the overall balance, and extends the life of thermal power plants and the
  • the power plant according to the invention according to claim 1 is used to generate electrical and / or thermal energy for
  • Infeed into a power and / or district heating network includes an incinerator for the combustion of a
  • Carbonaceous fuel whereby a C02-containing exhaust gas is produced, a separation device connected downstream of the incinerator for separating CO 2 from the exhaust gas, an electrolyzer for generating hydrogen H 2 and oxygen 0 from water, a synthesis device for
  • a control device is provided by which the electrical power consumption of the electrolyzer in dependence on
  • the invention is based on the consideration that by the electrolyzer an additional adjustable or adjustable load (electrical load) is connected to the power grid, through which the power grid can be stabilized by
  • the electrolyzer is used according to the invention for frequency support.
  • the invention recognizes that this is possible because an electrolyzer can provide load gradients of about 10% per second, and thus also for
  • Frequency support of the primary control can be used.
  • the invention combines a CO 2 separation device, an electrolyzer and a synthesis device of the type
  • a significant advantage of the invention is that the fossil-fired power plant no longer has to be shut down and taken off the grid, since even if the power plant does not have to feed power into the public grid, a minimum power for the electrolyser must be provided.
  • the minimum load of the power plant corresponds to the maximum power consumption of the electrolyzer in this operation.
  • the thermal power plant can be operated more often under full load, and thus efficient, and emitting lower emissions than under partial load. Since the thermal power plants are relieved by the invention and in particular of mains frequency control measures, operation is better under and thermal
  • control measures completely taken over by the electrolyser can also be the technical complexity of a
  • the C02 can either partially or almost completely from the flue gas of the power plant by the
  • the thermal power plant can contribute to the politically desired reduction of the C02 footprint.
  • a complete shutdown of fossil fueled power plants is not foreseeable for lack of storage capacity in the near future and the continued operation of these systems in low load without active power to the network with full power frequency control capability coupled coupled rotating mass offers great benefits for the network. This will lead to a significant increase in public acceptance, so that thermal power plants will also be seen as a reliable and necessary component of the energy mix.
  • Existing thermal power plants can thus continue to be operated by retrofitting and to rebuild the central power supply in the direction of a C02 neutral
  • the separated CO 2 is in the connected synthesis, or other suitable device, together with the
  • Hydrogen from the electrolyzer is processed to high purity methanol or other e-fuel.
  • the methanol or other e-fuel is sold as a product by the operator of the power plant.
  • Methanol e.g. is in demand by the chemical industry. Even fossil fuels can be replaced or
  • regenerative energy generator for frequency support can be kept coupled to the network.
  • the power plant which serves as C02 source, can also be a cogeneration plant.
  • Storage capacity is designed in seconds, and which is located between power grid and electrolyzer.
  • the battery additionally supports a requirement for the mains frequency control.
  • the battery may also serve to maintain a black start capability, rebuild a possible network crash, and provide very fast grid control requirements of less than one second.
  • the battery can
  • the battery is in particular an improvement of
  • the synthetic fuel is methanol. But it is also possible to produce other fuels, such as synthetic diesel or kerosene.
  • the power plant further comprises a turbo set with a Turbine and a generator, which are arranged on a common shaft, and a coupling, which is arranged in the shaft between turbine and generator. Through the coupling of the generator of the turbine can be decoupled.
  • Decoupling allows the generator to remain connected to the mains, even when the turbine is off. Due to the electrical connection to the network, a rotating mass is held in the network, which also serves as a frequency support.
  • the electrolyzer is followed by a compressor and a storage, so that hydrogen produced is compressed and temporarily stored.
  • the electrolyzer is followed by a compressor and a storage, so that hydrogen produced is compressed and temporarily stored.
  • Caching provides additional flexibility in the operation of the power plant.
  • Electrolyzer connects with the combustion device, so that produced in the electrolyzer oxygen in the
  • Combustion device is conductive.
  • the Verbrennungsvor direction is the combustion chamber of a gas turbine.
  • the generated oxygen which is largely pure, the combustion can be made cleaner and the gas turbine can be operated more efficiently, since less inert gas must be transported through the gas turbine. Because less or no nitrogen is passed through the gas turbine, which heats up strongly as a result of the combustion, the loss of hot exhaust gas through the chimney can be reduced.
  • Power plant for generating electrical and / or
  • thermal energy for feeding into a power and / or district heating network is in a combustion process
  • a C02-containing exhaust gas is formed in a C02 deposition process downstream of the combustion process, C02 separated from the exhaust gas, in an electrolysis process hydrogen and oxygen separated from water, and in a synthesis process from the C02 from the deposition process and the generated
  • Hydrogen from the electrolysis process produces a synthetic fuel.
  • a battery is further provided for storage capacity in the
  • Seconds is arranged, and which is arranged between power grid and electrolyzer, so that a requirement for the grid frequency control is additionally supported.
  • methanol is produced as a synthetic fuel.
  • a turbine set with a turbine and a generator is further provided, which are arranged on a common shaft, wherein by a coupling in the shaft between turbine and generator the generator is decoupled from the turbine.
  • the electrolyzer downstream of a compressor and a memory, so that generated hydrogen compressed and
  • FIG. 1 shows a power plant according to the invention with a thermal power plant, a C02
  • FIG. 3 shows diagrams for illustrating cases of
  • Figure 1 shows the power plant 1 according to the invention, comprising a combustion process 2, in which a
  • carbon-containing fuel is supplied, and in which a CO 2 -containing exhaust gas 3 is formed, a CO 2 separation device 4 for separating CO 2 from the exhaust gas 3, an electrolyzer 5 for generating hydrogen 12 and
  • the Synthesizer 6 is a device for e-fuel
  • the CO 2 -containing exhaust gas 3 is supplied to the CO 2 precipitation device 4.
  • the CO 2 separation device 4 leaves a partially or largely exempt from C02 exhaust gas 7, as well as separated CO 2 8.
  • the power plant 1 is connected to the
  • Power transmission network 11 connected.
  • regenerative power generators are connected to the power transmission network 11, e.g. Wind turbines 19 and photovoltaic power plants 20.
  • the electric power transmission network 11 has limited transmission capacity C, which results in excess power over production that wind or solar energy must be discarded.
  • a heat engine 9 By combustion of a carbonaceous fuel in the combustion process 2, a heat engine 9 is driven, which in turn drives a generator 10 Stromer generation.
  • the combustion process 2 may be a fired boiler that generates steam that is expanded in a steam turbine.
  • combustion process 2 may also be the combustion chamber of a gas turbine, wherein the fuel gas is expanded in the expansion part of the gas turbine.
  • the combustion process 2 can also be
  • Piston engine be burned in the fuel in cylinders.
  • the components combustion process 2
  • Heat engine 9 and generator 10 form a
  • Carbon-containing fuel is operated.
  • heat E e.g. in the form of steam from the thermal power plant D and sold as a product (e.g., district heating or process steam).
  • the generator 10 is connected to the power grid 11. Also connected to the mains 11 is the electrolyzer 5, which is powered by electricity. The electrolyzer 5 generates
  • Hydrogen 12 and oxygen 13 The hydrogen 12 from the electrolyzer 5 is taken together with the CO 2 8 from the Deposition device 4 passed into the synthesis device or other device for e-fuel production 6.
  • methanol 14 is generated from hydrogen 12 and CO 2 8.
  • the electrolyzer 5 is controlled by a control device R, which determines the electrical power consumption of
  • Electrolyzer 5 depending on one or more parameters controls.
  • a first parameter is the electrical power requirement of the power network 11.
  • the electrolyzer 5 is dependent on the power grid
  • the thermal power plant D does not have to be throttled in the line.
  • a second parameter is the requirement of
  • Electrolyzer 5 as an electrical load more or less
  • a third parameter is the power requirement of the optional existing district heating network.
  • the control device R controls the electrolyzer 5 depending on the amount of energy or steam taken, so that despite a possible, fluctuating energy extraction, the thermal power plant D can be operated at a constant power.
  • the control device R can take into account one of these parameters. It makes sense, however, all parameters are taken into account, which on the driving style of the thermal
  • Power plant D have influence.
  • the aim of the control is always to allow a constant as possible operation of the thermal power plant D.
  • Figure 2 shows a further development of the power plant according to the invention of Figure 1. This includes as well as Figure 1 a combustion process 2, a CO 2 separation device 4, an electrolyzer 5 and a
  • the synthesizer 6 in which the synthetic fuel is produced is a means for producing methanol 14.
  • Battery B is provided, which is designed for a storage capacity in the second range.
  • the battery B is disposed between the power grid 11 and 5 electrolyzer.
  • Battery B can thus make a request to the
  • Grid frequency control can be additionally supported.
  • the battery is preferably located in
  • the power plant D is no longer subjected to strong load fluctuations by avoiding strong temperature fluctuations
  • Electrolyzer in conjunction with the battery ensures full positive and negative controllability.
  • FIG. 2 shows a further embodiment of the invention with a coupling A in the shaft between turbine 9 and Generator 10, which together form a turbo set. Through the coupling of the generator of the turbine can be decoupled.
  • FIG. 2 also shows an embodiment in which
  • Electrolyzer 5 a compressor 17 and a hydrogen storage 18 are connected downstream. Furthermore, the C02
  • the compressors 15, 17 may be operated by an electric motor.
  • the compression of C02 and H2 can occur depending on the process requirements.
  • the design of the memory 16, 18 is to vote on the expected operating regime of the power plant 1 with respect to flow, heat or methanol or e-fuel guided driving style.
  • a connecting line is provided, which connects the electrolyzer 5 with the combustion device 2, so that in the electrolyzer 5 generated oxygen 13 can be conducted into the combustion device 2.
  • Figure 3 shows a diagram I) to IV) by the cases of operations of the control device R to be illustrated.
  • power P is plotted in percent% over time t.
  • the lines show the behavior of the power, measured at different points in the power grid 11.
  • the power 31 is equal to the amount of electricity requested by the power grid 11.
  • the performance 31 is the one demanded
  • the power plant 1 must compensate for the power 32 introduced by the regenerative energy sources 21, so that the power introduced in the power grid is equal to the demanded amount of electricity.
  • the power 33 is the output power of the power plant 1 and is composed of the power 35 of the generator 10, the power 34 of the electrolyzer 5 and the power 36 of the batteries B.
  • Electrolyser 5 absorbs active power in the range of seconds, e.g. 10 seconds
  • the electrolyser operates at full load with a negative power of 20%.
  • the manipulated variable becomes the battery Active power input and output, as well as the voltage, regulated in the millisecond range.
  • the control device R regulates the parameters voltage and active power to generator 10, electrolyzer 5 and battery B so that they to the setpoint at the connection of
  • the proportion of power 32 introduced into the grid by regenerative energy sources 21 is about 20% and the fraction of power 33 introduced by the fossil-fired power plant is about 80%.
  • the power plant runs at full load.
  • the power consumption of the electrolyzer 5 is controlled in this case by the control device to 20%.
  • the regulating device R regulates
  • the electrolyzer is designed at least for this load case. That is, the maximum
  • Load capacity 34 of the electrolyzer corresponds to at least the minimum load in which the fossil-fired power plant can be operated on the grid.
  • the power grid limited in capacity is not burdened and made possible by the amount of electricity from the power plant so that shutdowns of renewable sources such as wind and photovoltaic are avoided or largely reduced.
  • controllability of positive active power, negative active power, frequency (cos cp) and voltage consists of:
  • Electrolysers or shutdown of the heat engine (while the generator is decoupled mechanically via the clutch A remains electrically synchronously coupled to the mains and supports it by its inertia and voltage or power factor control.
  • the aforementioned measures 2 and 3 can be combined and run slower in time.
  • the primary, secondary and tertiary control of the power plant is also available when no active power is supplied to the power grid or even power is absorbed.
  • Restrictions of the power grid with regard to active power the power plant is operated in partial to full load operation with primary fuel.
  • the control device controls the
  • the operation of the electrolyzer at half load allows an active power jump of the power plant by 50% of the electrolysis power in the positive direction by relieve or allow in the negative direction by loading.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Kraftwerk (1), welches der Erzeugung elektrischer und/oder thermischer Energie zur Einspeisung in ein Strom- (11) und/oder Fernwärmenetz (E) dient. Es umfasst eine Verbrennungsanlage (2) für die Verbrennung eines Kohlenstoffhaltigen Brennstoffs, wodurch ein CO2 haltiges Abgas (3) entsteht, eine der Verbrennungsanlage (2) nachgeschaltete Abscheidevorrichtung (4) zur Abtrennung von CO2 aus dem Abgas, einen Elektrolyseur (5) zur Erzeugung von Wasserstoff (12) und Sauerstoff (13) aus Wasser, eine Synthesevorrichtung (6) zur Synthese eines synthetischen Brennstoffs (14) aus dem abgetrennten CO2 und dem im Elektrolyseur (5) erzeugten Wasserstoff (12). Erfindungsgemäß ist eine Regelvorrichtung (R) vorgesehen, durch welche die elektrische Leistungsaufnahme des Elektrolyseurs (5) in Abhängigkeit von einer elektrischen Leistungsanforderung des Stromnetzes (11), einer Anforderung der Netzfrequenzregelung und/oder einer Leistungsanforderung des Fernwärmenetzes (E) regelbar ist.

Description

Beschreibung
Kraftwerksanlage mit Elektrolyseur und BrennstoffSynthese
Kraftwerksanlagen, welche mit fossilem oder biologischem Brennstoff versorgt werden und C02 emittieren (im Folgenden thermische Kraftwerke genannt) , stehen zunehmend unter politischem und gesetzlichem Druck, die Emissionen an
Kohlendioxid (C02) zu reduzieren. Dies gilt insbesondere für fossil befeuerte thermische Kraftwerke. Zur Abscheidung von C02aus dem Rauchgas einer fossil befeuerten Kraftwerksanlage stehen verschiedene Technologien bereit. C02 kann beispiels weise in einer Abscheidevorrichtung durch eine nasschemische Wäsche mit einem Absorptionsmittel nahezu vollständig aus dem Rauchgas abgetrennt werden (C02Capture) . Solche Abscheidungs vorrichtungen sind allerdings aufgrund des hohen Volumen stroms des zu reinigenden Rauchgases sehr groß und komplex.
Es gibt verschiedene Gründe, weshalb sich derartige
Abscheidungsvorrichtungen zur Abtrennung von C02 aus Kraft werksabgasen nicht durchgesetzt haben. Einerseits ist die Abscheidung sehr energieaufwendig, sodass sich eine Abschei dung häufig allein aus wirtschaftlichen Gründen nicht rechnet. Andererseits ist die Frage der weiteren Verwertung oder Speicherung von C02noch nicht allgemeingültig geklärt, weshalb eine C02-Abtrennung häufig auf eine mangelnde
Akzeptanz in der Bevölkerung stößt.
Thermische Kraftwerke werden vorzugsweise unter nahezu
Volllast betrieben und leisten in den an diese angeschlos senen Stromnetzen Netzdienstleistungen. Frequenz
dienstleistungen sind beispielsweise schnelle Wirkleistungs steigerungen oder -Senkungen bei Netzfrequenzabfall oder - anstieg oder Regeln der Spannung. Unter Volllast erreichen die Kraftwerksanlagen ihren höchsten Wirkungsgrad bei gleichzeitiger minimaler spezifischer Emission schädlicher Kohlendioxide . Befinden sich in dem gleichen Stromnetz größere Anteile von regenerativen Energieerzeugern, wie beispielsweise
Fotovoltaik oder Windkraftanlagen, müssen die thermischen Kraftwerke die schwankende Leistung der volatilen
regenerativen Energieerzeugern ausgleichen. Dies kann dazu führen, dass die thermischen Kraftwerke in ineffizienten Teillastzuständen betrieben werden müssen, in denen auch höhere spezifische C02-Emissionen auftreten. Des Weiteren wird aus thermische Kraftwerken teilweise Wärme ausgekoppelt, die zu Heizzwecken von Wohnungen oder Industrieanlagen bzw. als Prozessdampf der in der Industrie für bestimmte
thermische Prozesse benötigt wird. Dazu ist es erforderlich, dass ein thermisches Kraftwerk wärmegeführt gefahren wird, wodurch die Fähigkeit, Netzdienstleistungen zu erbringen, eingeschränkt wird.
Kommt es darüber hinaus zu einer Stromüberproduktion durch die volatilen regenerativen Stromerzeuger, müssen die
thermischen Kraftwerke in der Leistung heruntergefahren oder sogar vom Netz genommen werden, was zu einem deutlichen
Lebensdauerverbrauch der thermischen Kraftwerke, zusätzlichen Emissionen beim An- und Abfahren und Anfahrkosten ggf. mit teuren Sekundärbrennstoffen führt. Beispielsweise wird zum Anfahren eines Kohlekraftwerkes oft teures Heizöl für den Start des Kraftwerkes eingesetzt.
Es kann aber auch sein, dass aus netztechnischen Gründen, ein thermisches Kraftwerk nicht abgefahren sondern in Mindestlast betrieben wird, obwohl zu viel elektrische Leistung im Netz ist. Die Gründe dafür können prognostizierte absinkende
Stromproduktion von Solarkraftwerken (Sonnenuntergang) oder abflauendem Wind bei Windkraftanlagen sein. In einem solchen Fall werden bedingt durch Netzengpässe die Windkraftanlagen und/oder Solarfelder abgeschaltet.
Zur kurzfristigen Zwischenspeicherung von überschüssiger elektrischer Energie im Stromnetz werden bereits verschiedene Systeme eingesetzt. Bekannt sind beispielsweise Batteriesysteme, die allerdings sehr teuer und auch nur eine begrenzte Energiemenge speichern können. Batterien können allerdings bei hohen Anforderungen an die
Regelgeschwindigkeit Vorteile bringen.
Um eine stabile Netzfrequenz aufrechtzuhalten übernehmen vor allem thermische Kraftwerke die Funktion der Frequenzregelung im Stromnetz durch eine positive und negative Primär,
Sekundär- und Tertiärregelung. Durch rotierende Massen in den Kraftwerken können im Millisekundenbereich Leistungsreserven in Form von in Synchronfrequenz gekoppelter Massenträgheit für die Primärregelung bereitgestellt werden. Für die
Sekundärregelung stehen Leistungsreserven beispielsweise durch angedrosselte Dampfventile, Kessel-Zusatzfeuerung oder Gasturbinen-Überfeuerung zur Verfügung, die im Sekunden- bis Minutenbereich bereitgestellt werden können. Innerhalb von 10-20 Minuten stehen für die Tertiärregelung weitere
Kraftwerksblöcke in Standby, die kurzfristig angefahren und ans Netz gehen können. Die Regelfähigkeit thermischer
Kraftwerke bedingt, dass selbst bei Stromüberschuss
thermische Kraftwerke am Netz betrieben werden und
regenerative Quellen abgeschaltet werden müssen, die diese Bedingung nicht erfüllen.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung und ein
Verfahren anzugeben, durch welche ein gemeinsamer,
effizienter und wirtschaftlicher Betrieb von thermischen Kraftwerksanlagen zusammen mit erneuerbaren Energieerzeugern im gleichen Stromnetz der Art verbessert werden kann, dass eine höhere Netzstabilität besteht. Weiterhin ist es Aufgabe der Erfindung eine Abschaltung von volatilen regenerativen Energieerzeugern aus Gründen von Netzengpässen zu vermieden oder zu reduzieren, sodass schädliche C02-Emissionen in der Gesamtbilanz reduziert werden, und der Lebensdauerverbrauch von thermischen Kraftwerksanlagen verlängert und die
Wirtschaftlichkeit der thermischen Kraftwerke verbessert werden kann. Gelöst wird die auf eine Vorrichtung gerichtete Aufgabe der Erfindung durch ein Kraftwerk des unabhängigen Anspruchs 1.
Das erfindungsgemäße Kraftwerk gemäß Anspruch 1 dient der Erzeugung elektrischer und/oder thermischer Energie zur
Einspeisung in ein Strom- und/oder Fernwärmenetz. Es umfasst eine Verbrennungsanlage für die Verbrennung eines
Kohlenstoffhaltigen Brennstoffs, wodurch ein C02 haltiges Abgas entsteht, eine der Verbrennungsanlage nachgeschaltete Abscheidevorrichtung zur Abtrennung von C02 aus dem Abgas, einen Elektrolyseur zur Erzeugung von Wasserstoff H2 und Sauerstoff 0 aus Wasser, eine Synthesevorrichtung zur
Synthese eines synthetischen Brennstoffs aus dem abgetrennten C02 und dem im Elektrolyseur erzeugten Wasserstoff H2.
Erfindungsgemäß ist eine Regelvorrichtung vorgesehen, durch welche die elektrische Leistungsaufnahme des Elektrolyseurs in Abhängigkeit von
einer elektrischen Leistungsanforderung des Stromnetzes, einer Anforderung der Netzfrequenzregelung und/oder einer Leistungsanforderung des Fernwärmenetzes
regelbar ist.
Die Erfindung geht dabei von der Überlegung aus, dass durch den Elektrolyseur eine zusätzliche zu- bzw. abregelbare Last (elektrischer Verbraucher) mit dem Stromnetz verbunden ist, durch den sich das Stromnetz stabilisieren lässt, indem
Leistungsschwankungen durch regenerative Energieerzeuger kompensiert werden. Der Elektrolyseur wird erfindungsgemäß zur Frequenzstützung genutzt. Die Erfindung erkennt, dass dies möglich ist, da ein Elektrolyseur Lastgradienten von ca. 10% pro Sekunde leisten kann, und somit auch zur
Frequenzstützung der Primärregelung einsetzbar ist. Die
Erfindung kombiniert eine C02-Abscheidevorrichtung, einen Elektrolyseur und eine Synthesevorrichtung der Art
miteinander, dass ein effizienter und frequenzsicherer
Betrieb von regenerativen Energieerzeugern und thermischen Kraftwerken ermöglicht wird. Durch die Abscheidung von C02 aus dem Rauchgas werden die schädlichen Emissionen deutlich reduziert. Das Problem der Speicherung/Verwendung des abgetrennten C02 ist dadurch behoben, dass das C02 in Methanol oder andere sythetische Brennstoffe (e-fuels) umgewandelt wird, welches für die chemische Industrie oder als Brennstoff weiterverwendet werden kann und sich dadurch damit die Verwendung anderer Grundstoffe wie Erdöl und Erdgas reduzieren lässt. Auch kann auf andere Speicherlösungen, wie beispielsweise teure und mit Bezug auf die Kapazität limitierte Batteriesysteme als alleinige Lösung verzichtet werden.
Ein wesentlicher Vorteil der Erfindung besteht darin, dass die fossilbefeuerte Kraftwerksanlage nicht mehr herunter gefahren und vom Netz genommen werden muss, da selbst wenn das Kraftwerk keine Leistung in das öffentliche Stromnetz einspeisen muss, eine Mindestleistung für den Elektrolyseur bereit zu stellen ist. Die minimale Last der Kraftwerksanlage entspricht bei diesem Betrieb der maximalen Verbrauchs leistung des Elektrolyseurs. Durch das Vermeiden unnötiger Abschaltvorgänge wird der Lebensdauerverbrauch von
Kraftwerksanlagen minimiert, was Wartungsintervalle
verlängert und somit Kosten reduziert. Auch kostenintensive und ineffiziente Startvorgänge der Kraftwerksanlage werden reduziert. Auch vermieden wird das Abschalten von
Regenerativen Stromerzeugungsanlagen auf Grund von
Netzengpässen .
Weiterhin kann durch die Integration des Elektrolyseurs in die Kraftwerksanlage das thermische Kraftwerk häufiger überwiegend unter Volllast betrieben werden, und somit effizient, und unter Ausstoß geringerer Emissionen als unter Teillast. Da die thermischen Kraftwerke durch die Erfindung auch insbesondere von Netzfrequenzregelmaßnahmen entlastet werden, ist ein Betrieb unter besseren und thermisch
effizienteren Bedingungen möglich. Wenn die Sekundär
regelmaßnahmen vollständig vom Elektrolyseur übernommen werden, kann zudem die technische Komplexität einer
thermischen Kraftwerksanlage reduziert werden.
Das C02 kann entweder teilweise oder nahezu vollständig aus dem Rauchgas der Kraftwerksanlage durch die
Abscheidungsvorrichtung abgeschieden werden. Dadurch kann die thermische Kraftwerksanlage zur politisch gewollten Reduktion des C02 Footprint beitragen. Eine vollständige Abschaltung von Fossilgefeuerten Kraftwerksanlagen ist aus Mangel an Speicherkapazität in naher Zukunft nicht absehbar und das weiterbetreiben dieser Anlagen in Schwachlast ohne Wirk leistungsabgabe an das Netz bei voller Netzfrequenzregel fähigkeit inklusive gekoppelter Rotierender Masse bietet große Vorteile für das Netz. Dies wird zu einer deutlichen Steigerung der Akzeptanz in der öffentlichen Wahrnehmung führen, sodass auch thermische Kraftwerke als zuverlässiger und notwendiger Bestandteil des Energiemix angesehen werden. Bestehende thermische Kraftwerke können somit auch durch Umrüstung weiterbetrieben werden und zum Umbau der zentralen Stromversorgung in Richtung einer C02 neutralen
Stromversorgung beitragen.
Das abgetrennte C02 wird in der angeschlossenen Synthese, oder sonstigen geeigneten Vorrichtung, zusammen mit dem
Wasserstoff aus dem Elektrolyseur zu hochreinem Methanol oder anderem e-fuel verarbeitet. Um zusätzliche Einnahmen zu generieren, wird das Methanol oder der andere e-fuel als Produkt vom Betreiber der Kraftwerksanlage verkauft. Methanol z.B. wird von der chemischen Industrie nachgefragt. Auch fossile Treibstoffe lassen sich dadurch ersetzen oder
ergänzen, was die Abhängigkeit von Öl- und Gasimporten reduzieren würde.
Selbst wenn das synthetisierte Methanol wieder verbrannt, und das darin gebundene C02 freigesetzt wird, liegt eine
verbesserte globale C02 Bilanz vor, da die fossilbefeuerten Kraftwerksanlagen nun effizienter und emissionsärmer
betrieben werden können bzw. auf Grund von Netzengpässen keine oder weniger Überschussleistung von Wind und Sonne verworfen werden müssen und durch die Verwendung des
Methanols oder ander e-fuels andere fossile Treibstoffe subsumiert werden.
Durch die Erfindung lassen sich vor allem regenerative
Energieerzeuger und thermische Kraftwerksanlagen besser im gemeinsamen Stromnetz betreiben und die Flexibilität
steigern. Dies ist insbesondere im Hinblick auf die zu erwartende Ausweitung des Anteils an volatilen regenerativen Energieerzeugern wichtig. Möglich ist dies einerseits dadurch, dass thermische Kraftwerksanlagen, und somit die rotierenden Massen, selbst bei Stromüberschuss durch
regenerative Energieerzeuger zur Frequenzstützung am Netz gekoppelt gehalten werden können.
Das Kraftwerk, welches als C02 Quelle dient, kann auch ein Heizkraftwerk sein.
In einer Weiterentwicklung der Erfindung umfasst die
Kraftwerksanlage weiterhin eine Batterie, die für eine
Speicherfähigkeit im Sekundenbereich ausgelegt ist, und die zwischen Stromnetz und Elektrolyseur angeordnet ist. Durch die Batterie ist eine Anforderung an die Netzfrequenzregelung zusätzlich unterstützt. Die Batterie kann zudem zur Erhaltung einer Schwarzstartfähigkeit, zum Wiederaufbau eines etwaigen Netzzusammenbruches und sehr schneller Netzregelanforderungen von kleiner einer Sekunde dienen. Die Batterie kann
Bestandteil eines Batteriespeichersystems sein. Durch die Batterie wird insbesondere eine Verbesserung der
Regelmöglichkeiten im Bereich < 1 Sekunde erzielt.
Vorzugsweise ist der synthetische Brennstoff Methanol. Es ist aber auch möglich andere Brennstoffe, wie beispielsweise synthetischen Diesel oder Kerosin zu erzeugen.
Bei einer besonderen Weiterentwicklung der Erfindung umfasst die Kraftwerksanlage weiterhin einen Turbosatz mit einer Turbine und einem Generator, die auf einer gemeinsamen Welle angeordnet sind, und eine Kupplung, die in der Welle zwischen Turbine und Generator angeordnet ist. Durch die Kupplung ist der Generator von der Turbine entkoppelbar. Durch die
Entkopplung kann der Generator mit dem Stromnetz verbunden bleiben, selbst wenn die Turbine abgeschaltet ist. Durch die elektrische Verbindung mit dem Netz wird eine rotierende Masse im Netz gehalten, die zusätzlich als Frequenzstütze dient ..
In einer weiteren Ausgestaltung der Kraftwerksanlage sind dem Elektrolyseur ein Verdichter und ein Speicher nachgeschaltet, sodass erzeugter Wasserstoff verdichtet und zwischspeicherbar ist. Ebenso ist in einer weiteren Ausgestaltung der
Kraftwerksanlage vorgesehen, dass der Abscheidevorrichtung ein Verdichter und ein Speicher nachgeschaltet sind, sodass abgetrenntes C02 verdichtet und zwischenspeicherbar ist.
Durch die Zwischenspeicherung wird zusätzliche Flexibilität im Betrieb der Kraftwerksanlage erzielt.
In einer Weiterentwicklung der Kraftwerksanlage, ist
weiterhin eine Verbindungsleitung vorgesehen, die den
Elektrolyseur mit der Verbrennungsvorrichtung verbindet, sodass im Elektrolyseur erzeugter Sauerstoff in die
Verbrennungsvorrichtung leitbar ist. Die Verbrennungsvor richtung ist dabei die Brennkammer einer Gasturbine. Durch die Verwendung des erzeugten Sauerstoffs, der weitgehend rein ist, kann die Verbrennung sauberer erfolgen und die Gas turbine effizienter betrieben werden, da weniger Inert gasanteile durch die Gasturbine befördert werden müssen. Weil weniger oder kein Stickstoff durch die Gasturbine geführt wird, der sich durch die Verbrennung stark erhitzt, kann der Verlust von heißem Abgas durch den Schornstein verringert werden .
Die auf ein Verfahren gerichtete Aufgabe der Erfindung wird gelöst durch die Merkmale des unabhängigen Anspruchs 8. Bei dem erfindungsgemäße Verfahren zum Betrieb einer
Kraftwerksanlage zur Erzeugung elektrischer und/oder
thermischer Energie zur Einspeisung in ein Strom- und/oder Fernwärmenetz, wird in einem Verbrennungsprozess ein
kohlenstoffhaltiger Brennstoff verbrannt, wobei ein C02 haltiges Abgas entsteht, in einem C02 Abscheideprozess, der dem Verbrennungsprozess nachgeschalteten ist, C02 aus dem Abgas abgetrennt, in einem Elektrolyseprozess Wasserstoff und Sauerstoff aus Wasser getrennt, und in einem Syntheseprozess aus dem C02 aus dem Abscheideprozess und dem erzeugten
Wasserstoff aus dem Elektrolyseprozess ein synthetischer Brennstoff erzeugt. Erfindungsgemäß wird durch einen
Regelprozess die elektrische Leistungsaufnahme des
Elektrolyseprozesses in Abhängigkeit von
einer elektrischen Leistungsanforderung des Stromnetzes, einer Anforderung der Netzfrequenzregelung, und/oder einer Leistungsanforderung des Fernwärmenetzes
geregelt, sodass durch den Elektrolyseprozesses als
zusätzliche zu- bzw. abregelbare Last das Stromnetz
stabilisiert wird.
Die Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens ergeben sich analog zu den Vorteilen der erfindungsgemäßen Vorrichtung.
In einer vorteilhaften Weiterentwicklung ist weiterhin eine Batterie vorgesehen, die für eine Speicherfähigkeit im
Sekundenbereich ausgelegt ist, und die zwischen Stromnetz und Elektrolyseur angeordnet ist, sodass eine Anforderung an die Netzfrequenzregelung zusätzlich unterstützt wird.
Vorzugsweise wird als synthetischer Brennstoff Methanol erzeugt .
Bei einer weiteren Vorteilhaften Ausgestaltung des
erfindungsgemäßen Verfahrens, ist weiterhin ein Turbosatz mit einer Turbine und einem Generator vorgesehen, die auf einer gemeinsamen Welle angeordnet sind, wobei durch eine Kupplung in der Welle zwischen Turbine und Generator der Generator von der Turbine entkoppelt wird.
In einer vorteilhaften Ausführung des Verfahrens sind dem Elektrolyseur ein Verdichter und ein Speicher nachgeschaltet, sodass erzeugter Wasserstoff verdichtet und
zwischengespeichert wird. Ebenso ist es vorteilhaft der
Abscheidevorrichtung ein Verdichter und ein Speicher
nachzuschalten, sodass abgetrenntes C02 verdichtet und zwischengespeichert wird.
Bei einer bevorzugten Ausführung des erfindungsgemäßen
Verfahrens wird der im Elektrolyseur erzeugter Sauerstoff der Verbrennungsvorrichtung über eine Verbindungsleitung, die den Elektrolyseur mit der Verbrennungsvorrichtung verbindet, zugeführt .
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand von Figuren näher beschrieben. Darin zeigt:
Figur 1 eine erfindungsgemäße Kraftwerksanlage mit einer thermischen Kraftwerksanlage, einer C02
Abscheidungsvorrichtung, einen Elektrolyseur und einer Synthesevorrichtung.
Figur 2 eine Weiterentwicklung der erfindungsgemäßen
Kraftwerksanlage .
Figur 3 Diagramme zur Veranschaulichung von Fällen von
Betriebsweisen der Regelvorrichtung R.
Figur 1 zeigt die erfindungsgemäße Kraftwerksanlage 1, umfassend einen Verbrennungsprozess 2, bei dem ein
kohlenstoffhaltiger Brennstoff zugeführt wird, und bei dem ein C02-haltiges Abgas 3 entsteht, eine C02-Abscheide- vorrichtung 4 zur Abtrennung von C02 aus dem Abgas 3, einen Elektrolyseur 5 zur Erzeugung von Wasserstoff 12 und
Sauerstoff 13 aus Luft, und eine Synthesevorrichtung 6. Die Synthesevorrichtung 6 ist eine Einrichtung zur e-fuel
Herstellung, wie beispielsweise Methanol 14 oder Methan.
Das C02-haltige Abgas 3 wird der C02-Abscheidevorrichtung 4 zugeführt. Die C02-Abscheidevorrichtung 4 verlässt ein teilweise oder weitgehend von C02 befreites Abgas 7, sowie abgetrenntes C02 8. Die Kraftwerksanlage 1 ist an das
Stromübertragungsnetz 11 angeschlossen. An das Stromüber tragungsnetz 11 sind zudem auch regenerative Energieerzeuger- angeschlossen, wie z.B. Windturbinen 19 und Photovoltaik- kraftwerke 20. Das elektrische Stromübertragungsnetz 11 weist begrenzte Übertragungskapazität C auf welche bei Stromüber schussproduktion dazu führt, dass Wind- oder Solarenergie verworfen werden muss.
Durch Verbrennung eines kohlenstoffhaltigen Brennstoffs in dem Verbrennungsprozess 2 wird eine Wärmekraftmaschine 9 angetrieben, die wiederum einen Generator 10 zur Stromer zeugung antreibt. Bei dem Verbrennungsprozess 2 kann es sich um einen befeuerten Kessel handeln, der Dampf erzeugt, welcher in einer Dampfturbine entspannt wird. Der Ver
brennungsprozess 2 kann auch die Brennkammer einer Gasturbine sein, wobei das Brenngas im Expansionsteil der Gasturbine entspannt wird. Der Verbrennungsprozess 2 kann auch ein
Kolbenmotor sein bei dem Brennstoff in Zylindern verbrannt wird. Die Komponenten Verbrennungsprozess 2,
Wärmekraftmaschine 9 und Generator 10 bilden ein
herkömmliches thermisches Kraftwerk D welches mit
Kohlenstoffhaltigem Brennstoff betrieben wird. Optional kann auch Wärme E, z.B. in Form von Dampf aus dem thermisches Kraftwerk D entnommen und als Produkt (z.B. Fernwärme oder Prozessdampf) verkauft werden.
Der Generator 10 ist an das Stromnetz 11 angeschlossen. Auch am Stromnetz 11 angeschlossen ist der Elektrolyseur 5, der durch Strom betrieben wird. Der Elektrolyseur 5 erzeugt
Wasserstoff 12 und Sauerstoff 13. Der Wasserstoff 12 aus dem Elektrolyseur 5 wird zusammen mit dem C02 8 aus der Abscheidungsvorrichtung 4 in die Synthesevorrichtung oder sonstige Einrichtung zur e-fuel Herstellung 6 geleitet. In der Synthesevorrichtung oder sonstige Einrichtung zur e-fuel Herstellung 6 wird aus Wasserstoff 12 und C02 8 z.B. Methanol 14 erzeugt.
Der Elektrolyseur 5 wird durch eine Regelvorrichtung R geregelt, welche die elektrische Leistungsaufnahme des
Elektrolyseurs 5 in Abhängigkeit von einem oder mehrerer Parameter regelt.
Ein erster Parameter ist die elektrische Leistungsanforderung des Stromnetzes 11. Durch die Regelvorrichtung R wird der Elektrolyseur 5 in Abhängigkeit von der im Stromnetz
bereitzustellenden Leistung zu- oder abgeregelt, sodass der Elektrolyseur 5 als elektrische Last mehr oder weniger
Leistung aus dem Stromnetz 11 zieht. Dadurch wird
überschüssige Leistung im dem Stromnetz 11, welche
beispielsweise durch die regenerativen Energiequellen
eingebracht wird, durch den Elektrolyseur 5 aufgenommen.
Dadurch muss das thermische Kraftwerk D nicht in der Leitung gedrosselt werden.
Ein zweiter Parameter ist die Anforderung der
Netzfrequenzregelung. Auch hier wird durch die
Regelvorrichtung R der Elektrolyseur 5 in Abhängigkeit von der Netzfrequenz zu- oder abgeregelt, sodass der
Elektrolyseur 5 als elektrische Last mehr oder weniger
Leistung aus dem Stromnetz 11 zieht. Dadurch ist eine Stütze der Netzfrequenz möglich. Vorteilhaft ist dabei, dass der Generator des thermischen Kraftwerks D am Stromnetz 11 bleiben kann, und somit als rotierende Masse die Netzfrequenz zusätzlich stützt.
Ein Dritter Parameter ist die Leistungsanforderung des optional vorhandenen Fernwärmenetzes. In diesem Fall regelt die Regelvorrichtung R den Elektrolyseur 5 in Abhängigkeit von den entnommenen Energie- bzw. Dampfmenge, sodass trotz einer möglichen, schwankenden Energie-Entnahme das thermische Kraftwerk D auf konstanter Leistung betrieben werden kann.
Die Regelvorrichtung R kann dabei einen dieser der Parameter berücksichtigen. Sinnvollerweise werden aber alle Parameter berücksichtigt, die auf die Fahrweise des thermischen
Kraftwerks D Einfluss haben. Ziel der Regelung ist dabei immer einen möglichst konstanten Betrieb des thermischen Kraftwerks D zu ermöglichen.
Figur 2 zeigt eine Weiterentwicklung der erfindungsgemäßen Kraftwerksanlage aus Figur 1. Diese umfassend ebenso wie Figur 1 einen Verbrennungsprozess 2, eine C02- Abscheidevorrichtung 4, einen Elektrolyseur 5 und eine
Synthesevorrichtung 6. Die Synthesevorrichtung 6, in der der synthetische Brennstoff erzeugt wird, ist eine Einrichtung zur Herstellung von Methanol 14.
In der Weiterentwicklung der Figur 2 ist weiterhin eine
Batterie B vorgesehen, die für eine Speicherfähigkeit im Sekundenbereich ausgelegt ist. Die Batterie B ist zwischen Stromnetz 11 und Elektrolyseur 5 angeordnet. Durch die
Batterie B kann somit eine Anforderung an die
Netzfrequenzregelung zusätzlich unterstützt werden.
Die Batterie befindet sich dabei vorzugsweise in
teilgeladenem Zustand. Durch Laden der Batterie B über das Stromnetz 11 wird negative, und durch entladen positive
Regelenergie bereitstellen . Das Kraftwerk D wird so nicht mehr durch starke Lastschwankungen beaufschlagt was durch Vermeidung von starken Temperaturschwankungen
lebensdauerverlängernde Wirkung hat. So ist durch den
Elektrolyseur in Verbindung mit der Batterie volle positive und negative Regelfähigkeit gewährleistet.
Figur 2 zeigt eine weitere Ausführungsform der Erfindung mit einer Kupplung A in der Welle zwischen Turbine 9 und Generator 10, die gemeinsam einen Turbosatz bilden. Durch die Kupplung ist der Generator von der Turbine entkoppelbar.
Figur 2 zeigt außerdem eine Ausführungsform, beidem dem
Elektrolyseur 5 ein Verdichter 17 und ein Wasserstoff- Speicher 18 nachgeschaltet sind. Weiterhin sind der C02
Abscheidevorrichtung 4 ein Verdichter 15 und ein C02-Speicher 16 nachgeschaltet, sodass abgetrenntes C02 verdichtet und zwischenspeicherbar ist. Die Verdichter 15, 17 können durch einen elektrischen Motor betrieben sein. Die Verdichtung von C02 und H2 kann in Abhängigkeit der Prozessanforderungen erfolgen. Die Auslegung der Speicher 16, 18 ist auf das zu erwartende Betriebsregime der Kraftwerksanlage 1 in Bezug auf ström-, wärme- oder methanol- bzw. e-fuel geführte Fahrweise abzustimmen .
Weiterhin ist eine Verbindungsleitung vorgesehen ist, die den Elektrolyseur 5 mit der Verbrennungsvorrichtung 2 verbindet, sodass im Elektrolyseur 5 erzeugter Sauerstoff 13 in die Verbrennungsvorrichtung 2 leitbar ist.
Bevorzugt werden alle in Figur 2 gezeigten Ausführungsformen in einer vorteilhaften Ausgestaltung der Kraftwerksanlage realisiert .
Figur 3 zeigt ein Diagramme I) bis IV) durch die Fälle von Betriebsweisen der Regelvorrichtung R veranschaulicht werden sollen. In den Diagrammen ist Leistung P in Prozent % über der Zeit t aufgetragen. Die Linien zeigen das Verhalten von der Leistung, gemessen an verschiedenen Stellen im Stromnetz 11.
Diagramm I :
31 ist die Leistung, gemessen im Stromnetz nach der
Einspeisung durch das Kraftwerk. Die Leistung 31 ist gleich der durch das Stromnetz 11 angeforderten Strommenge. In diesem Beispiel ist die Leistung 31 der nachgefragten
Strommenge konstant. 32 ist die Leistung, die durch die Regenerativen Energie erzeuger 21 in das Stromnetz eingebracht werden. In diesem Beispiel steigt die durch die regenerativen Energiequellen 21 eingebrachte Leistung 32 konstant an, so dass sie die 100% der angeforderten Leistung 31 übersteigt, sodass es zu einem Leistungsüberschuss im Stromnetz (11) kommt.
33 ist die Leistung, die durch die Kraftwerksanlage 1 in das Stromnetz 11 eingespeist wird. Die Kraftwerksanlage 1 muss die durch die regenerativen Energiequellen 21 eingebrachte Leistung 32 ausgleichen, damit die im Stromnetz eingebrachte Leistung gleich der nachgefragten Strommenge ist.
Die Leistung 33 ist die Ausgangsleistung der Kraftwerksanlage 1 und setzt sich zusammen aus der Leistung 35 des Generators 10, der Leistung 34 des Elektrolyseurs 5 und der Leistung 36 der Batterien B.
Diagrammm II)
35 ist die in das Stromnetz eingebrachte Leistung durch die den Generator 10. Der Generator 10 des thermischen
Kraftwerkes D wird mit der in seiner Ausprägung üblichen Stellgeschwindigkeit die Regelgröße Leistungsabgabe im
Sekunden- bis Minutenbereich und zur Spannungsregelung herangezogen .
Diagramm III)
34 ist die in das Stromnetz eingebrachte Leistung des
Elektrolyseurs 5. Durch den Elektrolyseur wird die Aufnahme von Wirkleistung im Sekundenbereich z.B. 10 Sekunden
geregelt. In diesem Beispiel leistet der Elektrolyseur im Vollastbetrieb eine negative Leistung von 20%.
IV)
36 ist die in das Stromnetz eingebrachte Leistung durch die Batterie B. Bei der Batterie wird die Stellgröße Wirkleistungsaufnahme bzw. -abgabe, sowie die Spannung, im Millisekundenbereich geregelt.
Die Regelvorrichtung R regelt die Parameter Spannung und Wirkleistung an Generator 10, Elektrolyseur 5 und Batterie B so, dass sie auf den Sollwert am Anschluss der
Kraftwerksanlage an das Stromnetz erfüllen und die
Kraftwerksanlage voll Regelfähig bleibt.
Stromüberschuss im Netz am Beispiel von Diagramm I) :
Zum Zeitpunkt 0 ist der durch regenerative Energiequellen 21 eingebrachte Anteil der Leistung 32 in das Stromnetz etwa 20% und der durch das fossilbefeuerte Kraftwerk eingebrachte Anteil an Leistung 33 etwa 80%. Bei diesem Betriebszustand des fossilbefeuerten Kraftwerks läuft die Kraftwerksanlage bei Volllast. Die Leistungsaufnahme des Elektrolyseurs 5 ist in diesem Fall von der Regelvorrichtung auf 20% geregelt.
Zum Zeitpunkt 1 ist der Anteil der eingebrachten Leistung in das Stromnetz durch regenerative Energiequellen uf 100% gestiegen. Ohne die Regelvorrichtung R hätte das
fossilbefeuerte Kraftwerk auf 0% runterregeln, bzw. vom Netz genommen werden müssen. Die Regelvorrichtung R regelt
erfindungsgemäß jedoch ein und erhöht die Leistungsaufnahme des Elektrolyseurs, sodass die fossilbefeuerte
Kraftwerksanlage nicht vom Netz genommen werden muss, sondern mit einem günstigen primären Brennstoff in Mindestlast bei beispielsweise 20% betrieben werden kann. Die gesamte
erzeugte elektrische Leistung 35 wird von dem Elektrolyseur aufgenommen. Der Elektrolyseur ist dabei mindestens für diesen Lastfall ausgelegt. Das heißt, die maximale
Lastaufnahme 34 des Elektrolyseurs entspricht mindestens der Mindestlast in dem das fossilbefeuerte Kraftwerk am Netz betrieben werden kann.
Damit wird das in den Kapazitäten begrenzte Stromnetz nicht mit der Strommenge aus dem Kraftwerk belastet und ermöglicht so, dass Abschaltungen von regenerativen Quellen wie Wind und Fotovoltaik vermieden oder weitgehend reduziert werden.
Dadurch, dass die Kraftwerksanlage mit dem Stromnetz
verbunden bleiben kann, bleibt die volle Regelfähigkeit erhalten. Die Regelfähigkeit von positiver Wirkleistung, negativer Wirkleistung, Frequenz (cos cp) und Spannung besteht aus :
Der synchron rotierenden Massenträgheit (Generator und
Antriebsmaschine)
Kurze Nennlastsprünge (<ls) mittels optionaler Batterie
Positive Lastsprünge (~10s) durch entlasten des
Elektrolyseurs oder abschalten der Wärmekraftmaschine (dabei ist der Generator mechanisch über die Schaltkupplung A abgekoppelt bleibt aber elektrisch synchron mit dem Stromnetz gekoppelt und unterstützt es durch seine Massenträgheit und Spannung- bzw. Leistungsfaktorregelung.
Die vorgenannten Maßnahmen 2 und 3 können kombiniert und zeitlich verlangsamt ablaufen. Somit steht die Primär-, Sekundär- und Tertiär Regelung der Kraftwerksanlage auch zur Verfügung wenn keine Wirkleistung ans Stromnetz geliefert wird oder sogar Leistung aufgenommen wird.
Durch eine solche Fahrweise werden Starts des Kraftwerks auf ein Minimum reduziert, was dessen Lebensdauerverbrauch verringert, Startkosten mit teurem Sekundärbrennstoff
vermeidet und die startbedingten Emissionen reduziert.
Bei Strompreisen, die einen wirtschaftlichen Betrieb des fossilbefeuerten Kraftwerks ermöglichen, und keine
Einschränkungen des Stromnetzes bezüglich Wirkleistung bestehen, wird das Kraftwerk im Teil- bis Vollastbetrieb mit Primärbrennstoff betrieben.
Die erfindungsgemäße Regelvorrichtung regelt den
Elektrolyseur dabei je nach Bedingungen am Reserveenergiemarkt, Wärme und e-fuel Markt in
Teillastbetrieb .
Beispielsweise ermöglicht der Betrieb des Elektrolyseurs bei Halblast ein Wirkleistungssprung der Kraftwerksanlage um 50% der Elektrolyseleistung in positive Richtung durch entlasten oder in negative Richtung durch belasten ermöglichen.
Für den Betreiber der Kraftwerksanlage besteht eine
Optimierungsmöglichkeit zwischen Strom-, e-fuel-,
Regelenergie- und Wärmeerlösen. Gerade bei wärmegeführten thermischen Kraftwerken wird so die Einspeisung von Strom und Wärmeerzeugung entkoppelt was zu betrieblichen und
vermarktungstechnischen Eigenschaften der Anlage führt.
Durch die Erfindung lässt sich die Lebensdauer der
fossilbefeuerten Kraftwerksanlage durch Vermeidung von steilen Temperaturgradienten für Neu- und Altanlagen
verlängern. Zudem wird eine Optimierung zwischen Strom-, e- fuel-, Regelenergie- und Wärmeerlösen ermöglicht. Weiterhin ist ein netzstabilisierender Betrieb der Kraftwerksanlage ohne Abgabe oder sogar mit Aufnahme von Wirkleistung bei vollständiger Erhaltung der Spannungs- bzw. Frequenzregelung mit entsprechender Entlastung der Übertragungsnetze möglich. Damit kann die Abschaltung volatiler regenerativer
Stromerzeuger wie Wind- und Solarkraftwerken vermieden werden. Schlussendlich wird durch die Erfindung der C02 Ausstoß in der Gesamtbilanz aus volatilen regenerativen
Stromerzeugern, Kraftwerksanlage und Methanol / e-fuel
Wirtschaft vermindert.

Claims

Patentansprüche
1. Kraftwerksanlage (1) zur Erzeugung elektrischer und/oder thermischer Energie zur Einspeisung in ein Strom- (11) und/oder Fernwärmenetz (E) , umfassend eine Verbrennungsanlage
(2) für die Verbrennung eines Kohlenstoffhaltigen
Brennstoffs, wodurch ein C02 haltiges Abgas (3) entsteht, eine der Verbrennungsanlage (2) nachgeschaltete
Abscheidevorrichtung (4) zur Abtrennung von C02 aus dem Abgas
(3) , einen Elektrolyseur (5) zur Erzeugung von Wasserstoff
(12) und Sauerstoff (13) aus Wasser, eine Synthesevorrichtung (6) zur Synthese eines synthetischen Brennstoffs (14) aus dem abgetrennten C02 (8) und dem im Elektrolyseur (5) erzeugten
Wasserstoff (12),
dadurch gekennzeichnet, dass eine Regelvorrichtung (R) vorgesehen ist, durch welche die elektrische
Leistungsaufnahme des Elektrolyseurs (5) in Abhängigkeit von einer elektrischen Leistungsanforderung des Stromnetzes (11), einer Anforderung der Netzfrequenzregelung und/oder einer Leistungsanforderung des Fernwärmenetzes (E) regelbar ist, sodass durch den Elektrolyseur (5) als zusätzliche zu- bzw. abregelbare Last das Stromnetz (11) stabilisiert ist.
2. Kraftwerksanlage (1) nach Anspruch 1, weiterhin
umfassend eine Batterie (B) , die für eine Speicherfähigkeit im Sekundenbereich ausgelegt ist, und die zwischen Stromnetz (11) und Elektrolyseur (5) angeordnet ist, sodass eine
Anforderung an die Netzfrequenzregelung zusätzlich
unterstützt ist.
3. Kraftwerkanlage (11) nach Anspruch 1 oder 2, wobei der synthetische Brennstoffs (14) Methanol ist.
4. Kraftwerksanlage (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, weiterhin umfassend einen Turbosatz mit einer Turbine (9) und einem Generator (10), die auf einer gemeinsamen Welle
angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass eine Kupplung (A) in der Welle zwischen Turbine (9) und Generator (10) angeordnet ist, durch die der Generator (10) von der Turbine (9) entkoppelbar ist.
5. Kraftwerksanlage (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass dem Elektrolyseur (5) ein
Verdichter (17) und ein Speicher (18) nachgeschaltet sind, sodass erzeugter Wasserstoff (12) verdichtet und
zwischspeicherbar ist.
6. Kraftwerksanlage (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Abscheidevorrichtung (4) ein Verdichter (15) und ein Speicher (16) nachgeschaltet sind, sodass abgetrenntes C02 (8) verdichtet und
zwischenspeicherbar ist.
7. Kraftwerksanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass weiterhin eine
Verbindungsleitung vorgesehen ist, die den Elektrolyseur (5) mit der Verbrennungsvorrichtung (2) verbindet, sodass im Elektrolyseur (5) erzeugter Sauerstoff (13) in die
Verbrennungsvorrichtung leitbar ist.
8. Verfahren zum Betrieb einer Kraftwerksanlage (1) zur Erzeugung elektrischer und/oder thermischer Energie zur
Einspeisung in ein Strom- (11) und/oder Fernwärmenetz (E) , bei dem in einem Verbrennungsprozess (2) ein
kohlenstoffhaltiger Brennstoff verbrannt wird, wobei ein C02 haltiges Abgas (3) entsteht, in einem C02 Abscheideprozess (4), der dem Verbrennungsprozess (2) nachgeschalteten ist,
C02 (8) aus dem Abgas abgetrennt wird, in einem
Elektrolyseprozess (5) Wasserstoff (12) und Sauerstoff (13) aus Wasser getrennt werden, und in einem Syntheseprozess (6) aus dem C02 (8) aus dem Abscheideprozess (4) und dem
erzeugten Wasserstoff (12) aus dem Elektrolyseprozess (5) ein synthetischer Brennstoff (14) erzeugt wird, wobei durch einen Regelprozess (R) die elektrische Leistungsaufnahme des
Elektrolyseprozesses (5) in Abhängigkeit von einer
elektrischen Leistungsanforderung des Stromnetzes (11), einer Anforderung der Netzfrequenzregelung, und/oder einer
Leistungsanforderung des Fernwärmenetzes (E) regelbar
geregelt wird, sodass durch den Elektrolyseprozesses (5) als zusätzliche zu- bzw. abregelbare Last das Stromnetz (11) stabilisiert wird.
9. Verfahren nach Anspruch 8, wobei weiterhin eine Batterie (B) vorgesehen ist, die für eine Speicherfähigkeit im
Sekundenbereich ausgelegt ist, und die zwischen Stromnetz (11) und Elektrolyseur (5) angeordnet ist, sodass eine
Anforderung an die Netzfrequenzregelung zusätzlich
unterstützt wird.
10. Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, wobei als
synthetischer Brennstoff (14) Methanol erzeugt wird.
11. Verfahren nach Anspruch 8 bis 10, wobei weiterhin ein Turbosatz mit einer Turbine (9) und einem Generator (10) vorgesehen ist, die auf einer gemeinsamen Welle angeordnet sind, wobei, durch eine Kupplung (A) in der Welle zwischen Turbine (9) und Generator (10) der Generator (10) von der Turbine (9) entkoppelt wird.
12. Verfahren nach Anspruch 8 bis 11, wobei dem
Elektrolyseur (5) ein Verdichter (17) und ein Speicher (18) nachgeschaltet sind, sodass erzeugter Wasserstoff (12) verdichtet und zwischengespeichert wird.
13. Verfahren nach Anspruch 8 bis 12, wobei der
Abscheidevorrichtung (4) ein Verdichter (15) und ein Speicher (16) nachgeschaltet sind, sodass abgetrenntes C02 (8) verdichtet und zwischengespeichert wird.
14. Verfahren nach Anspruch 8 bis 11, wobei der
Verbrennungsvorrichtung (2) über eine Verbindungsleitung, die den Elektrolyseur (5) mit der Verbrennungsvorrichtung (2) verbindet, im Elektrolyseur (5) erzeugter Sauerstoff (13) zugeführt wird.
PCT/EP2019/062459 2018-05-30 2019-05-15 Kraftwerksanlage mit elektrolyseur und brennstoffsynthese WO2019228809A1 (de)

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