DE2434238A1 - Verfahren zur speicherung und rueckgewinnung von energie - Google Patents

Verfahren zur speicherung und rueckgewinnung von energie

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Anton Dipl Ing Pocrnja
Guenter Dipl Ing Rueckborn
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Linde GmbH
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Description

  • Verfahren zur Speicherung und Rückgewinnung von Energie Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Versorgung von Energieverbraucher mit der von einem Energieerzeuger produzierten Energie, wobei in Zeiten geringeren Energiebedarfs ein Teil der produzierten Energie unter Verwendung eines gasförmigen Hilfsenergieträgers gespeichert und in Zeiten größeren Energiebedarfs die im Hilfsenergieträger gespeicherte Energie den Verbrauchern zur VerfUgung gestellt wird.
  • Der Bedarf an von einem Kraftwerk erzeugter elektrischer Energie ist in der Regel zeitlich nicht konstant, sondern starken Schwankungen unterlegen. Am Tage ist der Energiebedarf größer als bei Nacht. Ebenso ist der Energiebedarf im Winter wesentlich größer als im Sommer. Da es jedoch unmöglich ist, elektrische Energie in größeren Mengen zu speichern, muß ein Kraftwerk auf den Spitzenbedarf an Energie ausgelegt werden, obwohl dieser Spitzenbedarf nur an bestimmten Tages bzw. in bestimmten Jahreszeiten anfällt. Der Investitionsaufwand zum Bau eines solchen Kraftwerkes ist somit hoch.
  • Zur tiberwindung dieser Nachteile ist es bereits bekannt geworden, in Zeiten geringeren Energiebedarfs ein Teil der vom Kraftwerk erzeugten Uberschußenergie mittels eines Hilfsenergieträgers zu speichern und diese Uberschußenergie in Zeiten größeren Energiebedarfs den Verbrauchern zur Verfügung zu stellen. Als Hilfsenergieträger dient Luft, welche unter Verwendung von tJberschußenergie verdichtet und unter relativ hohem Druck gespeichert wird. Sobald der Energiebedarf wieder steigt, wird die Luft arbeitsleistend entspannt. Die hierbei gewonnene mechanische Energie wird in elektrische umgewandelt und den Verbrauchern zur VerfUgung gestellt. Die Speicherung der Luft erfolgt in unterirdischen Hohlräumen. Insbesondere wenn solche natürlichen Speicherråume nicht vorhanden sind, ist dieses Verfahren aufgrund der zwangsläufig erforderlichen großen Speichervolumina jedoch mit erheblichem Aufwand und somit mit großen Nachteilen verbunden.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zu entwickeln, das es auf einfache und doch wirtschaftliche Weise ermöglicht, die von einem Energieerzeuger in Zeiten geringeren Energiebedarfs erzeugt Uberschußenergie zu speichern und diese in Zeiten größeren Energiebedarfs den Verbrauchern zur VerfUgung zu stellen.
  • Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß in Zeiten geringeren Energiebedarfs der Hilfsenergieträger verflüssigt und nahezu drucklos gespeichert wird, während in Zeiten größeren Energiebedarfs der Hilfskälteträger verdichtet,angewärmt und arbeitsleistend entspannt wird.
  • Dadurch, daß gemäß der Erfindung in Zeiten geringeren Energiebedarfs ein Hilfsenergieträger unter Verwendung der im Kraftwerk anfallenden Uberschußenergie verflUssigt wird, gelingt es,den Bedarf an Speichervolumen fUr den Hilfsenergieträger erheblich zu erniedrigen, da das spezifische Volumen des Hilfsenergieträgers, z.B. Luft oder auch Stickstoff, in der flUssigen Phase nur ein Bruchteil des spezifischen Volumens der Gasphase beträgt. Bei zusätzlichem Bedarf an Energie wird der flUssige Hilfsenergieträger mittels Pumpen verdichtet, im Wärmeaustausch mit einem Heizmedium,z.B. Wasser oder Umgebungsluft,angewärmt und daraufhin arbeitsleistend entspannt. Da die erforderliche Pumparbeit wesentlich kleiner ist als die bei der arbeitsleistenden Entspannung freigesetzte Energie, kann auf diese Weise ein erheblicher Teil der durch die arbeitsleistende Entspannung gewonnenen Energie in elektrische Energie umgewandelt und an die Verbraucher abgegeben werden.
  • Als besonders wirtschaftlich hat es sich erwiesen, wenn nach einem weiteren Merkmal der Erfindung zur VerflUssigung des Hilfsenergieträgers neben der vom Kraftwerk produzierten Uberschußenergie die in verflUssigtem Erdgas enthaltene Kälte herangezogen wird, indem das verfltissigte Erdgas im Wärmeaustausch mit dem Hilfsenergieträger verdampft und angewärmt wird.-Falls das angewärmte Erdgas in ein unter Druck stehendes Leitungsnetz eingespeist wird, ist es zweckmäßig, es bereits vor seiner Verdamfpung auf den Leitungsdruck zu verdichten.
  • Normalerweise wird Erdgas im Elzeugerland verfldssigt und in diesem Zustand per Schiff in das Verbraucherland transportiert. Dort wird es in einem sogenannten LNG-Terminal gespeichert und je nach Bedarf verdampft, angewärmt und als Brennstoff den Verbrauchern zur VerfUgung gestellt. Die im Erdgas enthaltene Kälte wird daher gemäß der Erfindung in besonders wirtschaftlicher Weise ausgenutzt und geht somit nicht verloren.
  • Als Hilfsenergieträger eignet sich sowohl Luft als auch Stickstoff. Letzterer kann auf einfache Weise dadurch gewonnen werden, indem mittels der zu. speichernden Uberschußenergie zunächst Luft verdichtet und diese dann unter Verwendung von LNG-Kälte in einer Luftzerlegungsanlage in eine flüssige Stickstofffraktion und eine gasförmige Sauerstofffraktion zerlegt wird. Während die flüssige Stickstofffraktion als Hilfsenergieträger gespeichert wird, kann die Sauerstofffraktion als zusätzliches Produkt an einen Sauerstoffverbraucher abgegeben werden. Sie kann z.B. an ein Sauerstoff-Stahlwerk verkauft werden oder auch in einer Partial-Oxidationsanlage zur NH3-Gewinnung bzw. in eine Kohlevergasungsanlage zur Gewinnung von synthetischem Erdgas verwertet werden. Der Sauerstoff kann auch zur Reinigung von Abwässern nach dem Belebtschlammverfahren herangezogen werden.
  • Weitere Erläuterungen zu der Erfindung sind den in den Figuren schematisch dargestellten AusfUhrungsbeispielen zu entnehmen. Für gleiche Vorrichtungsteile sind jeweils gleiche Bezugsziffern vorgesehen.
  • Es zeigen: Figur 1 eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens in Verbindung mit einem Gasturbinenkraftwerk.
  • Figur 2 eine detailliertere Darstellung der Ausrührungsform nach Figur 1.
  • Figur 1 zeigt eine AusfWhrungsform der Erfindung in Verbindung mit einem Gasturbinenkraftwerk bzw. einem halbgeschlossenen Gasturbinenkreislauf zur Erzeugung elektrischer Energie. Innerhalb des Kreislaufes wird Uber die Leitung 1 einziehende Luft in einem Kompressor 2 zunächst auf mittleren Druck verdichtet, im Kühler 3 gekühlt und im Kompressor 4 auf den Kreislaufenddruck weiter verdichtet. Nach weiterer Erwärmung im Wärmeaustauscher 5 wird im Reaktor 6 ein Teil der Luft in Gegenwart von Erdgas verbrannt, welches über Leitung 7 dem Reaktor 6 zugeleitet wird. Das in Reaktor 6 anfallende erhitzte Gasgemisch aus Luft und Rauchgas wird nunmehr in der Kreislaufturbine 8 arbeitsleistend auf einen mittleren Druck entspannt.
  • Die hierbei freigesetzte mechanische Energie wird mittels eines Generators 9 in elektrische Energie umgewandelt und an die Verbraucher abgegeben. Ein Teil des auf mittleren Druck entspannten Kreislaufgases wird in der Turbine 10 arbeitsleistend auf den Enddruck weiter entspannt, während der Rest im Wärmeaustauscher 5 gekühlt und erneut dem im Kompressor 2 verdichteten Luftstrom zugemisch wird. Die in der Turbine ]O gewonnene Energie dient zum Antrieb des Kompressors oder Aufladeverdichters 2. In Spitzenzeiten, also in Zeiten höheren Energiebedarfs. wird erfindungsgemäß ein Teil des im Behälter 11 als Hilfsenergieträger gespeicherten flüssigen Stickstoffs mittels der Pumpe 12 auf den Kreislaufdruck verdichtet, im Wärmeaustauscher 15 verdampft und angewärmt und über Leitung 14 direkt in den Gasturbinenkreislauf eingespeist und zusammen mit dem Kreislaufgas in der Turbine 8 zunächst auf den mittleren Druck und daraufhin in der Aufladeturbine 10 auf den Enddruck arbeitsleistend entspannt.
  • Durch den vergrößerten Massenumsatz kann die Aufladeturbine 10 den Aufladeverdichter 2 stärker antreiben, wodurch der Kreislauf insgesamt wesentlich hoher aufgeladen wird. Hierdurch steigt die Leistung der Kreislaufturbine 8 und somit auch die Stromabgabe des mit dieser gekoppelten Generators 9, so daß es nunmehr möglich ist, den in Spitzenzeiten anfallenden größeren Strombedarf zu decken.
  • Der für den Spitzenlastbetrieb benötigte Stickstoff wird gewonnen, indem, insbesondere im Normallastbetrieb des Gasturbinenkreislaufs, ein Teil der im Aufladeverdichter 2 verdichteten Luft Uber Leitung 15 abgezogen, im Kiihler 16 gekühlt und im Kompressor 19 auf den Zerlegungsdruck einer Luftzerlegungsanlage weiterverdichtet wird. Der Antrieb des Kompressors 19 erfolgt durch eine Turbine 20, in der Kreislaufgas, Welches aus der Kreislaufturbine 8 unter einem Druck, der Uber dem Enddruck dieser Turbine liegt, abgezogen worden ist, entspannt wird. Die auf Zerlegungsdruck verdichtete Luft wird nunmehr über Leitung 21 einer Luftzerlegungsanlage 22 zugeführt und hier unter Ausnutzung der in flüssigem Erdgas enthaltenen Kälte (LNG-Kälte) in eine flüssige Stickstoff- und eine gasförmige Sauerstofffraktion zerlegt. Die Stickstofffraktion wird Uber Leitung 23 unmittelbar in den Behälter 11 gefördert, während die Sauerstofffraktion Uber Leitung 24 aus der Anlage abgezogen und einem Verbraucher zugeführt wird.
  • Das verflUssigte Erdgas wird einem LNG-Terminal 25, in das es Uber die Leitung 26 aus einem Schiff gefördert wurde, entnommen, in der Pumpe 27 verdichtet und in einem Wärmeaustauscherteil 28 der Luftzerlegungsanlage 22 verdampft und angewärmt. über Leitung 29 wird das Erdgas aus der Luftzerlegungsanlage 22 abgezogen und teilweise Uber die Leitung 7 dem Gasturbinenkreislauf als Brennstoff zugefUhrt. Der Rest strömt Uber die Leitung 30 zu weiteren Erdgasverbrauchern.
  • Figur 2 zeigt ein AusfUhrungsbeispiel einer Luftzerlegungsanlage, die es ermöglicht, unter Verwendung von LNG-Kälte flüssigen Stickstoff und gasförmigen Drucksauerstoff zu erzeugen.
  • Die, wie in Figur 1 ausführlich beschrieben, im Kompressor 21 auf einen Zerlegungsdruck zwischen 3 und 7 ata verdichtete Luft wird nach Abführung der Kcmpressionswärme im Wasserkühler 11 in einem der beiden Regeneratoren 32 und 33 gekühlt und gelangt daraufhin in eine erste Rektifiziersäule 34, in der sie in eine stickstoffreiche Kopffraktion und eine stickstoffarme Sumpffraktion vorzerlegt wird. Die KopfkUhlung der Säule 34 erfolgt durch die Sumpffraktion, die in Adsorbern 35 und 36 gereinigt, in einem Ventil 37 entspannt und im Kopfkondensator 38 verdampft wird. Ein Teil dieses Dampfes wird in einem kaltansaugenden Verdichter 39 verdichtet, im Wärmeaustauscher 40 gekühlt und daraufhin in die Mitte einer zweiten Rektifiziersäule 41 eingespeist und hier in eine flüssige, sauerstoffarme Kopffraktion und eine sauerstoffreiche Sumpffraktion weiterzerlegt. Die Kopffraktion wird Uber ein Ventil 42 als Rücklauf in eine dritte Rektifiziersäule; die bei etwa Atmosphärendruck arbeitet, entspannt, während die Sumpffraktion Uber ein Ventil 44 in den unteren Bereich der Säule 43 gedrosselt wird. Außerdem wird eine dritte Fraktion aus dem mittleren Bereich der Säule 41 über ein Ventil 45 in den mittleren Bereich der Säule 43 entspannt.
  • Der Rest der im Kopfkondensator 38 der ersten Säule verdampfenden Sumpffraktion wird im Wärmeaustauscher 48 angewärmt in der Turbine 49 unter Kälteerzeugung arbeitsleistend entspannt und daraufhin in den mittleren Bereich der Niederdrucksäule 43 eingespeist.
  • Im Sumpf der Säule 43 fällt nahezu reiner Sauerstoff an, der in einer Pumpe 46 auf Abgabedruck, z.B. etwa 60 ata, verdichtet, in den Wärmeaustauscher 40 und 46 verdampft und angewärmt und ueber eine Leitung 47 als Produkt sauerstoff aus der Anlage abgezogen wird.
  • Der im Kopf der Säule 34 anfallende Stickstoff wird in einer der Rohrschlangen 50 und 51 der Regeneratoren 33 und 32 angewärmt und im Wärmeaustauscher 10 gegen anzuwärmenden Produktsauerstoff erneut gekühlt. Ein Teilstrom dieses Stickstoff wird im Wärmeaustauscher 48 gegen an zuwärmendes Sumpfprodukt der Säule 34 weitergekUhlt und in der Turbine 52 zur Kälteerzeugung arbeitsleistend entspannt. Der nunmehr kalte Teilstrom wird mit dem Kopfstickstoff der Niederdrucksäule 43 vereint und als Spülgas in dem beladenen der Regeneratoren 32 und 33 angewärmt, wobei Festabscheidungen wie C92 und Wasser abgebaut werden. über die Leitungen 53 oder 54 verläßt das SpUlgas die Anlage.
  • Der Reststrom des im Wärmeaustauscher 10 gekühlten Stickstoffs wird im Kaltgebläse 55 auf einen Druck der geringfUgig Uber dem Druck der zweiten Rektifiziersäule 41 liegt, verdichtet, in einem Wärmeaustauscher 56 und einem Kondesator 57 weitergekUhlt und verflüssigt und daraufhin als flüssiger Produktstickstoff einem Speicherbehälter 31 zugeführt.
  • Der Kältebeåarf der Anlage wird durch verfltissigtes Erdgas gedeckt, welches Uber Leitung 58 drucklos einem hier nicht gezeigten LNG-Terminal entnommen, in der Pumpe 27 auf einen etwa zwischen 40 und 70 ata liegenden Abgabedruck verdichtet und im Wärmeaustauscher 59 gegen einen noch zu beschreibenden Stickstoffkreislauf von etwa 1120K auf etwa 100K angewärmt wird. Nach weiterer Anwärmung des Erdgases auf etwa 3000K in einem Wärmeaustauscher 60 wird es an die Verbraucher abgegeben.
  • Unter anderem wird ein Teil über Leitung 7 als Brennstoff dem Reaktor 6 eines in Figur 1 ausführlich beschriebenen halbgeschlossenen und ein weiterer Teil über Leitung 61 als Brennstoff dem Reaktor 69 eines geschlossenen Gasturbinenkreislaufes zugefUhrt.
  • Die Übertragung der im Wärmeaustauscher 59 anfallenden LNG-Kälte auf die Luftzerlegungsanlage erfolgt Uber einen Hochdruckstickstoffkreislauf: Am Kopf der zweiten Rektifiziersäule 41 wird der Kreislaufstickstoff abgezogen und in Wärmeaustauscher 56 gegen zu verflssigenden Stickstoff von der Säule 34 angewärmt.
  • Im zweistufigen Kreislaufkompressor 62 wird der Kreislaufstickstoff auf einen Druck,der der über dem Druck des Erdgases im Wärmeaustauscher 59 liegt, verdichtet. Dieser hohe Kreislaufdruck wird gewählt, um zu verhindern, daß im Falle eines Lecks im Wärmeaustauscher 59 Erdgas in den Stickstoffkreislauf gelangt.
  • Nach seiner Verdichtung wird der Kreislaufstickstoff im Wärmeaustauscher 59 gegen Erdgas gekühlt und im Zwischenkühler 63 erneut angewärmt. Durch die Zwischenkühlung des zu verdichtenden Kreislaufstickstoffs mit dem bereits auf hohem Enddruck verdichteten Kreislaufstickstoffs wird verhindert, daß im Falle eines Lecks Erdgas in den Kompressor 62 gelangt. Der im Zwischenkühler erwärmte Hochdruckstickstoff wird nunmehr im Wärmeaustauscher 59 erneut gegen Erdgas gekühlt. Daraufhin wird er im Sumpf der Säule 41 weitergekilhlt und mittels des Ventils 64 in den Außenraum des Kondensators 57 entspannt. Unter dem Druck der zweiten Rektifiziersäule verdampft ein Teil des Kreislaufstickstoffs gegen sich verflüssigenden Produktstickstoff von der Säule 34. Dieser Teil wird über Leitung 65 erneut in den Kreislauf eingespeist. Der nicht verdampfte Rest wird als zusätzlicher RUcklauf in die zweite Rektifiziersäule zurUckgeführt. Hierdurch wird der Umsatz in dieser Säule erhöht und somit die scharfe Vorzerlegung in die bereits genannten drei Fraktionen, die in die Niederdurcksäule eingespeist werden, ermöglicht.
  • Die weitere Anwärmung des Erdgases erfolgt mit Vorteil gegen zu kühlenden Kreislaufstickstoff eines geschlossenen Gasturbinenkreislaufes, in dem der Stickstoff im Kompressor 67 verdichtet, im Wärmeaustauscher 68 angewärmt, im Reaktor 69 stark erhitzt und in der Kreislaufturbine 70 arbeitsleistend entspannt wird. Die hierbei gewonnene mechanische Arbeit wird im Generator 71 in elektrische Energie umgewandelt. Das arbeitsleistend entspannte Kreislaufgas wird in den Wärmeaustauschern 68 und 60 gekühlt und erneut dem Kreislaufkompressor 67 zugeftlhrt. Die Leckverluste des Kreislaufes können durch in der ersten Rektifiziersäule 34 gewonnenen Stickstoff,der der dem Kreislauf über Leitung 72 zugeführt wird, gedeckt werden.
  • In Spitzenbedarfszeiten an elektrischer Energie wird ein Teil des im Behälter 11 gespeicherten flüssigen Stickstoffs mittels der Pumpe 12 auf den Druck des haibgeschlossenen und des geschlossenen Gasturbinenkreislaufes verdichtet, in den Wärmeaustauschern 59 und 60 verdampft und angewärmt und Uber Leitungen 14 und 73 direkt in beide Kreisläufe eingespeist.
  • Hierdurch erhöht sich der Massenumsatz und somit die in den Kreislaufturbinen 8 und 70 gewonnene Energie. In Zeiten normalen Energiebedarfs kann aus dem geschlossenen Gasturbinenkreislauf ein Teil des Kreislaufgases über eine Leitung 74 wieder abgezogen werden.

Claims (10)

Patentansprüche
1. Verfahren zur Versorgung von Energieverbrauchern mit der von einem Energieerzeuger produzierten Energie, wobei in Zeiten des geringeren Energiebedarfs ein Teil der produzierten Energie unter Verwendung eines gasförmigen Hilfsenergieträgers gespeichert und in Zeiten größeren Energiebedarfs die im Hilfsenergieträger gespeicherte Energie den Verbrauchern zur Verfügung gestellt wird, dadurch gekennzeichnet, daß in Zeiten geringeren Energiebedarfs der Hilfsenergieträger verflUssigt und nahezu drucklos gespeichert wird, während in Zeiten größeren Energiebedarfs der Hilrskälteträger verdichtet, angewärmt und arbeitsleistend entspannt wird
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Verflüssigung des Hilfsenergieträgers neben der zu speichernden Energie verflüssigtes Erdgas herangezogen wird, welches im Wärme austausch mit dem Hilfsenergieträger verdampft und angewärmt wird.
3. Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Hilfsenergieträger Luft ist.
4. Verfahren nach den Anspruche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß unter Verwendung von zu speichernder Energie und der im verflüssigten Erdgas enthaltenen Kälte Luft zer-Ic und flüssiger Sticlcstoff erzeugt vJird und daß der flüssige Stickstoff als Hilfsencrgieträger gespeichert wird.
5. Verfahren nach den ansprüchen 1 bis 4, dadurch gkennzeichnet, daß der Energieerzeuger ein Gasturbinenkreislauf ist, in dem ein Brennstoff in Gegenwart von Luft unmittelbar im Kreislauf verörannt und das anfallende Gasgemisch arbeitsleistend entspannt wird, und daß in Zeiten höheren Energiebedarfs der verflüssigte Hilfsenergieträger auf Kreislaufdruck verdichtet, angewärmt und unmittelbar in den Gasturbinenkreislauf eingespeist wird.
6. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß ein Teil des Gasgemisches im Gasturbinenkreislauf mehrstufig entspannt wird, daß die in einer niedrigeren Entspannungsstufe anfallende Energie zur Verdichtung von Luft herangezogen wird, daß zumindest ein Teil der verdichteten Luft unter Verwendung der im flüssigen Erdgas enthaltenen Kälte in eine flüssige Stickstoff- und eine gasfiSrmige Sauerstofffraktion zerlegt wird und daß die flüssige Stickstofffraktion als Hilfsenergieträger gespeichert wird.
7. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die verdichtete Luft in einer ersten Rektifiziersäule in eine stickstoffreiche und eine stickstoffarme Fraktion vorzerlegt wird, daß die stickstoffreiche Fraktion unter Verwendung der im verflUssigten Erdgas enthaltenen Kälte zumindes teilweise verflüssigt wird und daß die stickstoffarme Fraktion teilweise verdichtet und in eine zweite Rektifiziersäule und teilweise entspannt und in eine dritte Rektifiziersäule eingespeist wird.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Übertragung der im verflüssigten Erdgas enthaltenen Kälte auf die stickstoffreiche Fraktion mittels eines Hochdruckstickstoffkreislaufes erfolgt, dessen Kreislaufgas vom Kopf der zweiten Säule abgezogen, verdichtet, im Wärmeaustausch mit verfltlssigtem Erdgas und dem Sumpf der zweiten Säule verrlüssigt, entspannt und im Wärmeaustausch mit der stickstoffreichen Fraktion zumindest teilweise verdampft wird.
9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß ein nicht verdampfter Rest des Kreislaufgases als Rücklauf in die zweite Säule zurückgeführt wird.
10. Verfahren nach den Ansprüchen 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß eine flüssige Fraktion vom Kopr der zweiten RektifiziersEule, eine flüssige Fraktion aus deren mittleren Bereich und eine flüssige Fraktion aus deren Sumpf als Rücklauf in die dritte Rektifiziersäule entspannt werden.
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