EP2880268A2 - Verfahren und vorrichtung zur erzeugung elektrischer energie - Google Patents

Verfahren und vorrichtung zur erzeugung elektrischer energie

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Publication number
EP2880268A2
EP2880268A2 EP13792251.4A EP13792251A EP2880268A2 EP 2880268 A2 EP2880268 A2 EP 2880268A2 EP 13792251 A EP13792251 A EP 13792251A EP 2880268 A2 EP2880268 A2 EP 2880268A2
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
air
liquid
heat exchanger
refrigerant
temperature level
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP13792251.4A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Alexander Alekseev
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Linde GmbH
Original Assignee
Linde GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Linde GmbH filed Critical Linde GmbH
Priority to EP13792251.4A priority Critical patent/EP2880268A2/de
Publication of EP2880268A2 publication Critical patent/EP2880268A2/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • F25J3/04006—Providing pressurised feed air or process streams within or from the air fractionation unit
    • F25J3/04078—Providing pressurised feed air or process streams within or from the air fractionation unit providing pressurized products by liquid compression and vaporisation with cold recovery, i.e. so-called internal compression
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    • F25J3/04254—Generation of cold for compensating heat leaks or liquid production, e.g. by Joule-Thompson expansion using the cold stored in external cryogenic fluids
    • F25J3/0426—The cryogenic component does not participate in the fractionation
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    • F25J3/04284—Generation of cold for compensating heat leaks or liquid production, e.g. by Joule-Thompson expansion using internal refrigeration by open-loop gas work expansion, e.g. of intermediate or oxygen enriched (waste-)streams
    • F25J3/0429—Generation of cold for compensating heat leaks or liquid production, e.g. by Joule-Thompson expansion using internal refrigeration by open-loop gas work expansion, e.g. of intermediate or oxygen enriched (waste-)streams of feed air, e.g. used as waste or product air or expanded into an auxiliary column
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    • F25J3/04496—Processes or apparatus for separating the constituents of gaseous or liquefied gaseous mixtures involving the use of liquefaction or solidification by rectification, i.e. by continuous interchange of heat and material between a vapour stream and a liquid stream for air using the cold from cryogenic liquids produced within the air fractionation unit and stored in internal or intermediate storages for compensating variable air feed or variable product demand by alternating between periods of liquid storage and liquid assist
    • F25J3/04503—Processes or apparatus for separating the constituents of gaseous or liquefied gaseous mixtures involving the use of liquefaction or solidification by rectification, i.e. by continuous interchange of heat and material between a vapour stream and a liquid stream for air using the cold from cryogenic liquids produced within the air fractionation unit and stored in internal or intermediate storages for compensating variable air feed or variable product demand by alternating between periods of liquid storage and liquid assist by exchanging "cold" between at least two different cryogenic liquids, e.g. independently from the main heat exchange line of the air fractionation and/or by using external alternating storage systems
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    • F25J3/02—Processes or apparatus for separating the constituents of gaseous or liquefied gaseous mixtures involving the use of liquefaction or solidification by rectification, i.e. by continuous interchange of heat and material between a vapour stream and a liquid stream
    • F25J3/04—Processes or apparatus for separating the constituents of gaseous or liquefied gaseous mixtures involving the use of liquefaction or solidification by rectification, i.e. by continuous interchange of heat and material between a vapour stream and a liquid stream for air
    • F25J3/04521—Coupling of the air fractionation unit to an air gas-consuming unit, so-called integrated processes
    • F25J3/04593—The air gas consuming unit is also fed by an air stream
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    • F25J2205/24—Processes or apparatus using other separation and/or other processing means using regenerators, cold accumulators or reversible heat exchangers
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    • F25J2205/00—Processes or apparatus using other separation and/or other processing means
    • F25J2205/60—Processes or apparatus using other separation and/or other processing means using adsorption on solid adsorbents, e.g. by temperature-swing adsorption [TSA] at the hot or cold end
    • F25J2205/66—Regenerating the adsorption vessel, e.g. kind of reactivation gas
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    • F25J2215/00—Processes characterised by the type or other details of the product stream
    • F25J2215/40—Air or oxygen enriched air, i.e. generally less than 30mol% of O2
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    • F25J2235/00—Processes or apparatus involving steps for increasing the pressure or for conveying of liquid process streams
    • F25J2235/02—Processes or apparatus involving steps for increasing the pressure or for conveying of liquid process streams using a pump in general or hydrostatic pressure increase
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    • F25J2240/00—Processes or apparatus involving steps for expanding of process streams
    • F25J2240/02—Expansion of a process fluid in a work-extracting turbine (i.e. isentropic expansion), e.g. of the feed stream
    • F25J2240/10—Expansion of a process fluid in a work-extracting turbine (i.e. isentropic expansion), e.g. of the feed stream the fluid being air
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    • F25J2240/80—Hot exhaust gas turbine combustion engine
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    • F25J2240/80—Hot exhaust gas turbine combustion engine
    • F25J2240/82—Hot exhaust gas turbine combustion engine with waste heat recovery, e.g. in a combined cycle, i.e. for generating steam used in a Rankine cycle
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    • F25J2240/00—Processes or apparatus involving steps for expanding of process streams
    • F25J2240/90—Hot gas waste turbine of an indirect heated gas for power generation

Definitions

  • the invention relates to a method and apparatus for generating electrical energy according to the preamble of patent claim 1 and a corresponding device.
  • a “cryogenic liquid” is understood to mean a liquid whose boiling point is below the ambient temperature and, for example, is 220 K or lower, in particular lower than 200 K.
  • the cryogenic liquid can be used in its function as a "high pressure stream"
  • the "heat exchanger system” serves to cool the feed air of the
  • Air treatment plant in indirect heat exchange with one or more cold streams. It may be formed from a single or multiple parallel and / or serially connected heat exchanger sections, for example one or more plate heat exchanger blocks.
  • Methods and apparatuses which use liquid air or liquid nitrogen to regulate the network and provide control power in power grids.
  • the ambient air is liquefied in an air separation plant with integrated condenser or in a separate liquefaction plant and stored in a liquid tank designed as a cryogenic storage tank.
  • the liquefied air is removed from the store, brought to the higher pressure in a pump, then warmed to about ambient or higher. This warm high pressure air is then in a
  • Relaxation unit consisting of a turbine or several turbines with intermediate heating to ambient pressure relaxed.
  • the mechanical energy generated in the turbine unit becomes electrical energy in a generator
  • CONFIRMATION COPY converted and fed as particularly valuable energy into the electrical grid.
  • Such systems are described in WO 2007096656 and in DE 3139567 A1.
  • the deep-cold liquid under very high pressure (200 bar) becomes indirect in the heat exchanger system
  • the cold of the cryogenic liquid is thus on two different
  • Heat transfer medium such as atmospheric air or hot (water) steam goes the
  • the first phase (energy storage / liquefaction) of the process according to US 2001004830 A1 consists of several steps: the incoming air (10 to 15 bar) is first brought into indirect heat exchange with the second liquid refrigerant and cooled (to -150 ° C), then compressed (up to 40 bar), thereby warmed (-60 ° C at the outlet) and then brought into indirect heat exchange with the first liquid refrigerant and cooled again (to -170 ° C).
  • the invention has for its object to improve such a system in terms of its efficiency and in particular to allow a relatively simple apparatus design. This object is solved by the characterizing features of claim 1. According to the invention occurs in the first mode of operation in the
  • Air compression unit compressed feed air in the heat exchanger system under the same pressure in indirect heat exchange with the first liquid refrigerant and with the second liquid refrigerant. So there is no need to use a machine to increase the pressure between the heat exchange with the first brine and the heat exchange with the second brine. This reduces the number of hardware components such as heat exchangers, turbines and / or compressors; the costs for the entire liquid storage system are reduced and increases the efficiency of this application.
  • Heat exchangers, coolers, adsorbers, etc. are.
  • Both brine are warmed in the invention in the first operating mode to the same temperature level T2 or T4, from which they are cooled in the second operating mode from. Conversely, they are in the second
  • Temperature is to be understood, but a temperature band of a width of up to 20 K.
  • the goal is, of course, the smallest possible temperature difference between the two operating modes.
  • the temperature levels are preferably in the following ranges: T1 (first refrigerant, lower level):
  • T2 (second refrigerant, upper level):
  • T3 (second refrigerant, lower level):
  • T4 (second refrigerant, upper level):
  • the two refrigerants differ in their chemical composition, in particular in their boiling point. They must be selected so that they are fluid throughout their workspace. Suitable for this purpose are, for example, ethanol (C 2 H 5 OH) as the first (warmer) refrigerant and propane (C 3 H 8 ) as the second (colder) refrigerant.
  • ethanol C 2 H 5 OH
  • propane C 3 H 8
  • the substances listed in the following table for use in the invention as the first or second refrigerant in the invention in question.
  • liquid refrigerants and mixtures thereof can be used in the invention. This can do that
  • Heat exchange diagram to be further optimized; However, the apparatus and control engineering effort is higher.
  • liquid reservoirs of liquid refrigerant are provided for each of the temperature levels of one.
  • cooled coolant is available at the same temperature level for the first operating mode for cooling (and vice versa).
  • the heating and cooling of the brine is carried out in the heat exchanger system of the air treatment plant, anyway for the cooling of the Feed air in the first operating mode and the heating of the cryogenic liquid in the second operation is present.
  • mechanical energy is generated from the high-pressure storage fluid in the second operating mode by either the storage fluid itself or a fluid derived from it in the gas expansion unit is expanded to perform work.
  • the derived fluid may be formed, for example, by a mixture of the storage fluid with one or more other fluids, or by a reaction product of the storage fluid with one or more other substances.
  • the latter can be formed, for example, by combustion exhaust gas, if the storage fluid contains oxygen and is used to burn a fuel.
  • the heating of the first refrigerant in the first operating mode is
  • the same pumps can be used, one for the transport of the first and the second
  • the temperature ranges of the two brine can basically be disjoint (T4 ⁇ T1). Preferably, however, they overlap each other by the first
  • Temperature level T1 is more than 18 K, in particular 20 to 70 K below the fourth temperature level T4. This allows a particularly effective optimization of the heat exchange diagram.
  • the air compression unit in the second operating mode, can be switched off; In this case, heat for (pseudo) evaporation of the cryogenic liquid is supplied solely by the natural gas to be liquefied. In many cases, however, it may be favorable, albeit in the second operating mode Compressed air compressed in the air compression unit and cooled in the heat exchanger system. It appears unfavorable at first, in the second
  • Air compression unit does not have to be switched off and on when switching between the operating modes, but continues to run continuously.
  • the compressed amount of feed air can be obtained as high-pressure gas and from this additional electrical energy can be obtained.
  • a "gas turbine system” comprises a gas turbine (gas turbine expander) and a combustion chamber. In the gas turbine, hot gases are released from the combustion chamber to perform work.
  • the gas turbine system may also include a gas turbine driven gas turbine compressor. Some of the mechanical energy generated in the gas turbine is usually used to drive the gas turbine compressor. Another part is regularly converted to generate electrical energy in a generator. At least part of the generation of mechanical energy from the gaseous high-pressure storage fluid is carried out in this variant in the gas turbine system of the power plant, ie in an already existing in the power plant apparatus for converting pressure energy into mechanical drive energy. An additional separate system for work-performing expansion of the high-pressure storage fluid may be less complicated in the invention or completely omitted. In the simplest case, in the invention, the entire generation of mechanical energy from the gaseous high-pressure storage fluid in the
  • the high-pressure storage fluid is then, for example, under the pressure at which it (pseudo) is evaporated, the
  • the gas expansion unit has a hot gas turbine system which has at least one heater and one hot gas turbine.
  • the generation of electrical energy from the gaseous high-pressure storage fluid is at least partially carried out as a work-performing expansion in a hot gas turbine system having at least one heater and a hot gas turbine.
  • the generation of energy from the high pressure storage fluid takes place outside of the gas turbine system.
  • the "hot gas turbine system” may be formed in one stage with a heater and a single-stage turbine. Alternatively, it may have multiple turbine stages, preferably with reheat. In any case, it makes sense to provide another heater behind the last stage of the hot gas turbine system.
  • Hot gas turbine system is preferably coupled to one or more generators for generating electrical energy.
  • heating is meant a system for indirect heat exchange between a heating fluid and the gaseous storage fluid. This can transfer residual heat or waste heat to the storage fluid and to generate energy in the
  • Hot gas turbine system can be used.
  • Gas expansion unit has both one or more hot gas turbines and one or more gas turbine systems.
  • the high-pressure gaseous storage fluid is expanded in two steps, wherein the first step as work-performing relaxation in the hot gas turbine system and the second step in the
  • Gas turbine system can be performed, wherein the high pressure gaseous storage fluid fed to the hot gas turbine system and there to a
  • the air treatment plant in which in the first operating mode the cryogenic
  • Liquid is generated, may be formed as a cryogenic air separation plant or as an air liquefaction plant.
  • a "cryogenic air separation plant” is charged with atmospheric air and has a distillation column system for decomposing atmospheric air into its physical components, particularly nitrogen and oxygen.
  • the feed air is first cooled to near its dew point and then introduced into the distillation column system.
  • the distillation column system of the invention may be configured as a one-column nitrogen-oxygen separation system, as a two-column system (e.g.
  • Example as classic Linde double column system or as a three- or multi-column system. It may, in addition to the columns for nitrogen-oxygen separation other devices for recovering high purity products and / or other air components, in particular of noble gases, for example, an argon and / or a krypton xenon recovery.
  • nitrogen-oxygen separation other devices for recovering high purity products and / or other air components, in particular of noble gases, for example, an argon and / or a krypton xenon recovery.
  • An "air liquefaction plant” does not contain a distillation column part. Incidentally, their construction corresponds to that of a cryogenic air separation plant with the discharge of a liquid product. Of course, liquid air can also be generated as a by-product in a cryogenic air separation plant.
  • the cryogenic liquid may be formed by liquefied air and / or liquid nitrogen, or generally by a fluid containing less oxygen than the atmospheric air. Also, a combination of two or more storage fluids of the same or different composition from the same air treatment plant or from a plurality of air treatment plants can be used in the invention.
  • nitrogen is meant herein pure or substantially pure nitrogen as well as a mixture of air gases whose nitrogen content is higher than that of the atmospheric air, for example, the liquid nitrogen has a nitrogen content of at least 90%, preferably at least 99%. All percentages here and below refer to the molar amount, unless stated otherwise.
  • the high pressure stream under the same superatmospheric pressure in the heat exchanger system (21) undergoes indirect heat exchange with the second liquid refrigerant and with the first liquid refrigerant. So there is no need to use a machine to increase the pressure between the heat exchange with the second brine and the heat exchange with the first brine.
  • Control device is here to be understood a device which the automatic control of the system at least during the first
  • FIGS. 2a and 2b show a more detailed illustration of a first embodiment of an air treatment plant which can be used in the invention
  • Figures 3a and 3b show a more detailed illustration of a second embodiment of an air treatment plant which can be used in the invention
  • FIGS. 2a and 2b show a more detailed illustration of a first embodiment of an air treatment plant which can be used in the invention
  • Figures 3a and 3b show a more detailed illustration of a second embodiment of an air treatment plant which can be used in the invention
  • Figure 4 possible embodiments of the gas expansion unit.
  • Air treatment plant 100 a liquid tank 200 and a gas expansion unit 300.
  • the first operating mode low-current phase - usually at night
  • atmospheric air AIR
  • feed air is used as feed air in the first operating mode
  • Air treatment plant 100 initiated.
  • a cryogenic liquid 101 is generated, which is formed for example as liquid air.
  • the air treatment plant is operated as a condenser (in particular as an air liquefier).
  • the cryogenic liquid 101 is introduced into the liquid tank 200, which is operated at a low pressure LP of less than 2 bar.
  • the feed air is sucked through a filter 1 by an air compression unit 2 and compressed to a pressure MP (4 to 8 bar, especially 5 to 8 bar), cooled in a pre-cooler 3 and dried in a Molsiebadsorber station 4 and cleaned of contaminants such as C02 and hydrocarbons.
  • the compressed and purified air is cooled in a heat exchanger system 21 and liquefied.
  • the cryogenic liquid 101 is led into the liquid tank 200.
  • the heat exchanger system 21 is shown very schematically in Figures 1a and 1b, further details being shown in Figures 2a to 3b.
  • a first cold refrigerant reservoir 151 contains liquid ethanol (C 2 H 5 OH) as a "first refrigerant" at a first temperature level T1 of -1 10 ° C under a low pressure of less than 2 bar.
  • the liquid first refrigerant is fed by means of a first brine pump 29 via line 161 at T1 into a first passage group of the heat exchanger system 21.
  • T2 liquid ethanol
  • T2 second, higher temperature level of 19 ° C again and in a first warm Refrigerant storage 152 is initiated, which is operated at the second temperature level and also at a low pressure of less than 2 bar.
  • a second cold refrigerant reservoir 153 contains liquid propane (C 3 H 8 ) as a "second refrigerant" at a third temperature level T3 of -180 ° C under a low pressure of less than 2 bar.
  • the liquid second refrigerant is fed by means of a second brine pump 28 via line 163 at T3 in a second passage group of the heat exchanger system 21, at its cold end.
  • T4 liquid state
  • FIG. 1 b shows the second mode of operation (peak current phase - usually during the day).
  • the cryogenic liquid 103 for example, liquid air
  • Liquid tank 200 removed, brought in a pump 27 to an elevated pressure of HP1 (HP1 is greater than 12 bar, for example equal to about 60 bar), and as
  • the vaporized high pressure storage fluid 104 is pressurized to HP1
  • Gas expansion unit 300 passed.
  • the power P3 available at the gas expansion unit 300 in the second operating mode is, for example, 20 to
  • Passage groups of the heat exchanger system 21 are sent as in the first mode of operation, but in the opposite direction.
  • the first refrigerant is thereby conveyed via the pump 29 and line 162 from the first hot refrigerant reservoir 152 to the warm end of the heat exchanger system and after cooling from the second temperature level T2 to the first temperature level T1 via line 164 in introduced the first cold refrigerant reservoir 151.
  • the second refrigerant will be through the pump 28 and line 164 from the second warm
  • Refrigerant on the one hand and the evaporation of the high pressure current cryogenic liquid and the cold transfer to the brine on the other hand are carried out in the same process units.
  • the same apparatuses can thus be used. This results in a relatively low expenditure on equipment.
  • the air compression unit 2 can be switched off in a first embodiment during the second operating mode (see Figure 2b below); In a second embodiment variant (FIG. 3b, bottom), it continues to run in the second operating mode and supplies additional compressed air into the line 104 to the gas expansion unit 300.
  • a liquefaction phase (continuous operation in the first operating mode) and an evaporation phase (continuous operation in the second operating mode) can each take one to ten hours.
  • One or more evaporation and liquefaction phases can be run during one day.
  • the air treatment plant can be switched off in the transitional period between any two such phases.
  • FIGS. 2 a and 2 b show a possible design of the air treatment system 100 of FIG. 1, which is designed here as an air liquefier.
  • FIG. 2a again shows the first operating mode (the liquefaction phase).
  • ambient air AIR
  • MP 4 to 8 bar, in particular 5 to 8 bar
  • the compressed and purified air below MP is split into a first partial flow and a second partial flow.
  • the first partial flow is passed to a separate compressor, the cycle compressor 1 1 and there from the pressure MP to a higher pressure HP2 from 50 to 100 bar compressed, in an aftercooler to about
  • Phase separator (separator) 23 fed ..
  • the gaseous fraction from the phase separator 23 is passed through the heat exchanger system 21, there warmed up and out together with the air from the Molsiebadsorber station 4 to the suction port of the cycle compressor 1 1 and thus forms an air circuit ,
  • the second partial stream is recompressed in a secondary compressor 6a with aftercooler to a still higher pressure MP2 and then cooled in the heat exchanger system 12 from about ambient temperature to a first intermediate temperature of 140 to 180 K.
  • a turbine 5b the second partial flow is expanded to the low pressure LP (LP ⁇ 2 bar) to perform a work.
  • the after-compressor 5a is driven by the turbine 12b via a common shaft.
  • the working expanded second partial flow of feed air is reheated in the heat exchanger system 21 to ambient temperature and blown off into the atmosphere (amb).
  • a subset may also be used as the regeneration gas for the molecular sieve adsorber station 4.
  • the regeneration gas is warmed up by steam, electric heater or natural gas firing (heat quantity Q).
  • the Molsiebadsorber station 4 is not regenerated during the first operating mode, but only in the second operating mode. If the continuous operation in the first operating mode lasts less than about 6 hours, this is easily possible. The Molsiebadsorber station is then not switched within an operating mode; she can then also by means of a single
  • Adsorber container be realized or by means of several containers that are operated in parallel.
  • the liquid from the phase separator 23 is subcooled in a subcooler 24 and for the most part (101) as a cryogenic liquid in the liquid tank 200th directed.
  • a liquid air portion 26 is used, which is removed after the subcooling 24, relaxed in a throttle valve 25 to the pressure LP and passed together with the turbine exhaust gas through the heat exchanger system 21.
  • Air compression unit 2 and the Joule-Thomson stage (throttle valves, separator 23 and subcooler 24) turned off.
  • Liquid air (LAIR) 103 is removed from the liquid tank 200, brought in the pump 27 to the required pressure HP1, for example, 50 to 80 bar, preferably 40 to 80 bar, introduced as a high-pressure stream into the heat exchanger system 21 and there pseudo-evaporated and warmed to about ambient temperature.
  • HP1 for example, 50 to 80 bar, preferably 40 to 80 bar
  • the pseudo-evaporated air is finally sent to the gas expansion unit 300 as high-pressure gaseous storage fluid 104.
  • a part of the high-pressure gaseous storage fluid 104, a part of the high-pressure gaseous storage fluid heated in the gas expander 300, or a part of the exhaust gas of the gas expander 300 may be used as a regeneration gas (see FIG not shown in the drawing).
  • the heat exchanger system 21 of the air treatment system is used for both air liquefaction and brine heating (in the first operating mode) as well as for the air evaporation and refrigerant cooling (in the second operating mode).
  • the second variant of the invention is operated in the first operating mode according to FIG. 3 a like the first variant (FIG. 1 a).
  • FIG. 3b essentially corresponds to FIG. 1b, but here too, in the second operating mode, the air compression unit 2, the cycle compressor 11 and the turbine / compressor combination 5a / 5b remain in operation.
  • FIG. 4 shows possible embodiments of the gas expansion unit 300.
  • a conventional gas turbine is used for relaxation, the compressed air from the air treatment plant is fed into the gas turbine before the combustion chamber.
  • the heat of the flue gas at the outlet can be used in a heat recovery steam generator (HRSG) (4a); alternatively it is used differently, for example for preheating the compressed air from the air treatment plant (4b).
  • HRSG heat recovery steam generator
  • a rebuilt gas turbine is used for relaxation, in this gas turbine, the compressor part is removed.
  • the compressed air from the air treatment plant is fed into the combustion chamber of the rest of the gas turbine.
  • the heat of the flue gas can be used in a similar way to the gas turbine process.
  • the compressed air from the air treatment plant is first warmed up and expanded in several successively connected turbine / turbine stages; between the individual expansion stages, the air is additionally warmed up.
  • the embodiments 4a and 4b and 4c and 4d can be combined.

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Abstract

Das Verfahren und die Vorrichtung dienen zur Erzeugung elektrischer Energie in einem kombinierten System aus Kraftwerk und Luftbehandlungsanlage. Das Kraftwerk weist eine erste Gasexpansionseinheit (300) auf, die mit einem Generator zur Erzeugung elektrischer Energie verbunden ist. Die Luftbehandlungsanlage weist eine Luftverdichtungseinheit (2), ein Wärmetauscher-System (21) und einen Flüssigtank (200) auf. In einem ersten Betriebsmodus wird in der Luftbehandlungsanlage Einsatzluft in der Luftverdichtungseinheit (2) verdichtet und in dem Wärmetauscher- System (21) gegen einen ersten und einen zweiten Kälteträger abgekühlt, aus der verdichteten und abgekühlten Einsatzluft ein Speicherfluid hergestellt und als tiefkalte Flüssigkeit (101) in dem Flüssigtank (200) gespeichert. In einem zweiten Betriebsmodus wird tiefkalte Flüssigkeit (103) aus dem Flüssigtank (200) entnommen und unter überatmosphärischem Druck verdampft oder pseudo-verdampft und in dem Wärmetauscher-System (21) gegen einen zweiten (164) und einen ersten Kälteträger (162) angewärmt; das dabei erzeugten gasförmigen Hochdruck-Speicherfluid (104) wird in der Gasexpansionseinheit (300) entspannt. In dem ersten Betriebsmodus tritt die in der Luftverdichtungseinheit (2) verdichtete Einsatzluft in dem Wärmetauscher-System (21) unter demselben Druck in indirekten Wärmeaustausch mit dem ersten flüssigen Kälteträger und mit dem zweiten flüssigen Kälteträger.

Description

Beschreibung
Verfahren und Vorrichtung zur Erzeugung elektrischer Energie
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und Vorrichtung zur Erzeugung von elektrischer Energie gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 sowie eine entsprechende Vorrichtung.
Unter einer "tiefkalten Flüssigkeit" wird eine Flüssigkeit verstanden, deren Siedepunkt unterhalb der Umgebungstemperatur liegt und beispielsweise bei 220 K oder niedriger, insbesondere niedriger als 200 K liegt.
Die tiefkalte Flüssigkeit kann in ihrer Funktion als "Hochdruckstrom" beim
"Verdampfen" unter unterkritischem Druck stehen. Falls die tiefkalte Flüssigkeit aber auf einen überatmosphärischen Druck gebracht wird, der oberhalb des kritischen Drucks liegt, findet kein echter Phasenübergang ("Verdampfen"), sondern eine so genannte "Pseudo-Verdampfung" statt.
Das "Wärmetauscher-System" dient zur Abkühlung von Einsatzluft der
Luftbehandlungsanlage in indirektem Wärmeaustausch mit einem oder mehreren kalten Strömen. Es kann aus einem einzelnen oder mehreren parallel und/oder seriell verbundenen Wärmetauscherabschnitten gebildet sein, zum Beispiel aus einem oder mehreren Plattenwärmetauscher-Blöcken.
Es sind Verfahren und Vorrichtungen bekannt, die Flüssigluft oder Flüssigstickstoff zur Netzregelung und Bereitstellung von Regelleistung in Stromnetzen verwenden. Zu Billigstromzeiten wird dabei die Umgebungsluft in einer Luftzerlegungsanlage mit integriertem Verflüssiger oder in einer separaten Verflüssigungsanlage verflüssigt und in einem als Tieftemperaturspeicher ausgebildeten Flüssigtank gespeichert. Zu Spitzenlastzeiten wird die verflüssigte Luft aus dem Speicher entnommen, in einer Pumpe auf den höheren Druck gebracht, danach bis auf etwa Umgebungstemperatur oder höher angewärmt. Diese warme Hochdruckluft wird danach in einer
Entspannungseinheit bestehend aus einer Turbine oder mehreren Turbinen mit Zwischenerwärmung bis auf Umgebungsdruck entspannt. Die in der Turbineneinheit erzeugte mechanische Energie wird in einem Generator in elektrische Energie
BESTÄTIGUNGSKOPIE umgewandelt und als besonders wertvolle Energie ins elektrische Netz eingespeist. Derartige Systeme sind in WO 2007096656 und in DE 3139567 A1 beschrieben.
Ein Verfahren der eingangs genannten Art und eine entsprechende Vorrichtung sind aus US 2001004830 A1 bekannt.
Hier wird während des zweiten Betriebsmodus die unter sehr hohem Druck (200 bar) stehende tiefkalte Flüssigkeit im Wärmetauscher-System in indirekten
Wärmeaustausch zuerst mit erstem flüssigen Kälteträger gebracht und dabei bis auf etwa Umgebungstemperatur angewärmt, danach in einer Entspannungsturbine auf den niedrigeren Druck (10 bis 15 bar) entspannt und dadurch abgekühlt (bis auf ca. -150°C) und danach in indirekten Wärmeaustausch mit dem zweiten flüssigen Kälteträger gebracht und dabei wieder angewärmt. Insgesamt wird also die tiefkalte Flüssigkeit also in Wärmeaustausch mit zwei flüssigen Kälteträgern unterschiedlicher Temperatur gebracht, die dabei fühlbare Wärme abgeben. Bei diesem Wärmeaustausch im
Wärmetauscher-System der Luftbehandlungsanlage bleiben beide Kälteträger flüssig.
Die Kälte der tiefkalten Flüssigkeit wird somit auf zwei verschiedenen
Temperaturniveaus auf die beiden Kälteträger übertragen und steht für die Erzeugung der tiefkalten Flüssigkeit während des ersten Betriebsmodus wieder zur Verfügung. Im Gegensatz zu der ansonsten üblichen (Pseudo-)Verdampfung gegen einen
Wärmeträger wie atmosphärische Luft oder heißen (Wasser-)Dampf geht die
Verflüssigungskälte aus der tiefkalten Speicherflüssigkeit dadurch nicht oder nicht vollständig verloren. Zwei Kälteträger werden bei diesem Verfahren wegen der
Zwischenentspannung in einer Entspannungsturbine benötigt, da bei diesem Vorgang die Erzeugung der mechanischen Energie durch eine tiefe Abkühlung des Arbeitsfluids begleitet wird.
Auch die erste Phase (Energieeinspeicherung/Verflüssigung) des Verfahrens nach US 2001004830 A1 besteht aus mehreren Schritten: Die eintretende Luft (10 bis 15 bar) wird zuerst in indirekten Wärmeaustausch mit dem zweiten flüssigen Kälteträger gebracht und abgekühlt (bis -150°C), danach verdichtet (bis auf 40 bar), dadurch angewärmt (-60°C am Austritt) und danach in indirekten Wärmeaustausch mit dem ersten flüssigen Kälteträger gebracht und wieder abgekühlt (auf -170°C). Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein derartiges System hinsichtlich seiner Wirtschaftlichkeit zu verbessern und insbesondere einen relativ einfachen apparativen Aufbau zu ermöglichen. Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst. Gemäß der Erfindung tritt in dem ersten Betriebsmodus die in der
Luftverdichtungseinheit verdichtete Einsatzluft in dem Wärmetauscher-System unter demselben Druck in indirekten Wärmeaustausch mit dem ersten flüssigen Kälteträger und mit dem zweiten flüssigen Kälteträger. Es braucht also keine Maschine zur Druckerhöhung zwischen dem Wärmeaustausch mit dem ersten Kälteträger und dem Wärmeaustausch mit dem zweiten Kälteträger eingesetzt zu werden. Dadurch wird die Anzahl von Hardwarekomponenten wie Wärmetauscher, Turbinen und/oder Verdichter reduziert; die Kosten für die gesamte Flüssigluftspeicheranlage werden vermindert und die Wirtschaftlichkeit dieser Anwendung erhöht.
Bei den Druckangaben in den Patentansprüchen werden die natürlichen Druckverluste nicht einbezogen. Drücke werden hier als "gleich" bezeichnet, wenn der
Druckunterschied zwischen den entsprechenden Stellen nicht größer als die natürlichen Leitungsverluste sind, die durch Druckverluste in Rohrleitungen,
Wärmetauschern, Kühlern, Adsorbern etc. sind.
Beide Kälteträger werden bei der Erfindung in dem ersten Betriebsmodus auf dasselbe Temperaturniveau T2 beziehungsweise T4 angewärmt, von dem aus sie im zweiten Betriebsmodus aus abgekühlt werden. Umgekehrt werden sie in dem zweiten
Betriebsmodus auf dasselbe Temperatur T1 beziehungsweise T3 abgekühlt, von dem aus sie im ersten Betriebsmodus aus angewärmt werden. Wegen unvermeidlicher Verluste ist unter "demselben Temperaturniveau" nicht nur exakt die gleiche
Temperatur zu verstehen, sondern eine Temperaturband einer Breite von bis zu 20 K. Anzustreben ist natürlich ein möglichst geringer Temperaturunterschied zwischen den beiden Betriebsmodi.
Damit kann das Wärmeaustauschdiagramm des Wärmetauscher-Systems besonders günstig gestaltet werden. Die Temperaturniveaus liegen vorzugsweise in folgenden Bereichen: T1 (erstes Kältemittel, unteres Niveau):
-145 bis -45°C, beispielsweise -145°C
T2 (zweites Kältemittel, oberes Niveau):
10 bis 30°C, beispielsweise 20 °C,
T3 (zweites Kältemittel, unteres Niveau):
-190 bis -160X. beispielsweise -185°C
T4 (zweites Kältemittel, oberes Niveau):
-100 bis -45°C, beispielsweise -90°C Die beiden Kältemittel unterscheiden sich in ihrer chemischen Zusammensetzung, insbesondere in ihrem Siedepunkt. Sie müssen so ausgewählt werden, dass sie im jeweiligen gesamten Arbeitsbereich flüssig sind. Hierfür geeignet sind beispielsweise Ethanol (C2H5OH) als erster (wärmerer) Kälteträger und Propan (C3H8) als zweiter (kälterer) Kälteträger. Außerdem kommen die in der folgenden Tabelle aufgeführten Substanzen für die Verwendung in der Erfindung als erster oder zweiter Kälteträger bei der Erfindung in Frage.
Systematischer Umgangssprachlicher Schmelzpunkt Siedetemperatur Name Bezeichnung in °C in °C
Holzgeist,
Methanol -97,8 64,7
Methylalkohol
Alkohol, Ethylalkohol,
Ethanol -114,1 78,3
Weingeist
Propan-1-ol n-Propylalkohol -126,2 97,2
Butan-1-ol n-Butylalkohol -89,3 117,3
Pentan-1-ol n-Amylalkohol -78,2 138
Hexan- 1-ol n-Hexylalkohol -48,6 157,5
Isopropylalkohol,
Propan-2-ol -88,5 82,3
Isopropanol
Sekundärer
Butan-2-ol -114,7 99,5
Butylalkohol
2-Methylpropan-1 -ol Isobutylalkohol -108 108
Pentan-2-ol sek-n-Amylalkohol -50 118,9
2-Methylbutan-1-ol -70 129
3-Methylbutan-1-ol Isoamylalkohol -117 130,8
1 ,2-Propandiol Propylenglycol -68 188
Butan-1 ,2-diol 1 ,2-Butylenglycol -114 192
Butan-1 ,3-diol 1 ,3-Butylenglycol <-50 207,5
Prop-2-en-1-ol Allylalkohol -129 97
Pentan-1-ol n-Amylalkohol -78,2 128,0
Selbstverständlich können in der Erfindung auch ein oder mehrere weitere flüssige Kälteträger sowie deren Gemische eingesetzt werden. Dadurch kann das
Wärmeaustauschdiagramm weiter optimiert werden; allerdings wird auch der apparative und regelungstechnische Aufwand höher.
Bei der Erfindung sind vorzugsweise vier Flüssigspeicher flüssigen Kälteträger vorgesehen, und zwar für jedes der Temperaturniveaus einer. Dadurch steht im zweiten Betriebsmodus abgekühlter Kälteträger auf demselben Temperaturniveau für den ersten Betriebsmodus zum Kühlen zur Verfügung (und umgekehrt).
Die Anwärmung und Abkühlung der Kälteträger wird dabei in dem Wärmetauscher- System der Luftbehandlungsanlage durchgeführt, der ohnehin für die Abkühlung der Einsatzluft im ersten Betriebsmodus und die Anwärmung der tiefkalten Flüssigkeit im zweiten Betrieb vorhanden ist.
Im Rahmen der Erfindung wird in dem zweiten Betriebsmodus mechanische Energie aus dem Hochdruck-Speicherfluid erzeugt, indem entweder das Speicherfluid selbst oder ein aus ihm abgeleitetes Fluid in der Gasexpansionseinheit arbeitsleistend entspannt wird. Das abgeleitete Fluid kann beispielsweise durch ein Gemisch des Speicherfluids mit einem oder mehreren anderen Fluiden gebildet werden, oder durch ein Reaktionsprodukt des Speicherfluids mit einem oder mehreren anderen Stoffen. Letzteres kann beispielsweise durch Verbrennungsabgas gebildet werden, wenn das Speicherfluid Sauerstoff enthält und zur Verbrennung eines Brennstoffs genutzt wird.
Die Anwärmung des ersten Kälteträgers in dem ersten Betriebsmodus wird
vorzugsweise in denselben Passagengruppen des Wärmetauscher-Systems durchgeführt, in denen die Abkühlung des ersten Kälteträgers in dem zweiten
Betriebsmodus vorzugsweise in denselben Passagengruppen des Wärmetauscher- Systems durchgeführt, in denen die Abkühlung des zweiten Kälteträgers in dem zweiten Betriebsmodus in denselben Passagengruppen des Wärmetauscher-Systems durchgeführt wird. Damit kann in beiden Betriebsmodi derselbe Apparat eingesetzt werden.
Analog dazu können im ersten und im zweiten Betriebsmodus dieselben Pumpen eingesetzt werden, jeweils eine für den Transport des ersten und des zweiten
Kälteträgers.
Die Temperaturbereiche der beiden Kälteträger können grundsätzlich disjunkt sein (T4 < T1). Vorzugsweise überlappen sie sich jedoch, indem das erste
Temperaturniveau T1 mehr als 18 K, insbesondere 20 bis 70 K unter dem vierten Temperaturniveau T4 liegt. Dies ermöglicht eine besonders wirksame Optimierung des Wärmeaustauschdiagramms.
Grundsätzlich kann in dem zweiten Betriebsmodus die Luftverdichtungseinheit abgeschaltet werden; in diesem Fall wird Wärme für die (Pseudo-)Verdampfung der tiefkalten Flüssigkeit ausschließlich durch das zu verflüssigende Erdgas geliefert. In vielen Fällen kann es aber günstig sein, wenn auch in dem zweiten Betriebsmodus Einsatzluft in der Luftverdichtungseinheit verdichtet und in dem Wärmetauscher- System abgekühlt wird. Es erscheint zwar zunächst ungünstig, im zweiten
Betriebsmodus, in dem der Energiepreis hoch ist, die Luftverdichtungseinheit weiter zu betreiben. Im Rahmen der Erfindung hat sich jedoch herausgestellt, dass damit überraschend hohe betriebstechnische Vorteile verbunden sind, weil die
Luftverdichtungseinheit beim Umschalten zwischen den Betriebsmodi nicht aus- und eingeschaltet werden muss, sondern kontinuierlich weiterläuft. Außerdem kann die verdichtete Einsatzluftmenge als Hochdruckgas gewonnen und aus diesem zusätzlich elektrische Energie gewonnen werden.
In einer ersten Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens wird in dem zweiten Betriebsmodus mindestens ein Teil der Erzeugung elektrischer Energie aus dem gasförmigen Hochdruck-Speicherfluid in dem Gasturbinen-Expander eines
Gasturbinen-Systems eines Gasturbinen-Kraftwerks durchgeführt, wobei das
Speicherfluid stromabwärts des Verdampfens dem Gasturbinen-System zugeleitet wird. Das Gasturbinen-System ist dabei Teil der Gasexpansionseinheit im Sinne des Patentanspruchs 1. Diese Nutzung des Gasturbinen-Systems selbst für die Gewinnung von Energie aus dem Hochdruck-Speicherfluid wird in den Patentansprüchen 5 und 6 sowie in der älteren deutschen Patentanmeldung 102011121011 und den dazu korrespondierenden Patentanmeldungen näher beschrieben.
Ein "Gasturbinen-System" weist eine Gasturbine (Gasturbinen-Expander) und eine Brennkammer auf. In der Gasturbine werden heiße Gase aus der Brennkammer arbeitsleistend entspannt. Das Gasturbinen-System kann außerdem einen mit der Gasturbine angetriebenen Gasturbinen-Verdichter aufweisen. Ein Teil der in der Gasturbine erzeugten mechanischen Energie wird üblicherweise zum Antrieb des Gasturbinen-Verdichters eingesetzt. Ein weiterer Teil wird regelmäßig zur Erzeugung elektrischer Energie in einem Generator umgesetzt. Mindestens ein Teil der Erzeugung mechanischer Energie aus dem gasförmigen Hochdruck-Speicherfluid wird bei dieser Variante in dem Gasturbinen-System des Kraftwerks vorgenommen, also in einem im Kraftwerk ohnehin vorhandenen Apparat zur Umsetzung von Druckenergie in mechanische Antriebsenergie. Ein zusätzliches separates System zur arbeitsleistenden Entspannung des Hochdruck-Speicherfluids kann im Rahmen der Erfindung weniger aufwändig ausgebildet sein oder ganz entfallen. Im einfachsten Fall kann bei der Erfindung die gesamte Erzeugung von mechanischer Energie aus dem gasförmigen Hochdruck-Speicherfluid in dem
Gasturbinen-System vorgenommen werden. Das Hochdruck-Speicherfluid wird dann zum Beispiel unter dem Druck, unter dem es (pseudo-)verdampft wird, dem
Gasturbinen-System zugeleitet.
In einer zweiten Variante weist die Gasexpansionseinheit ein Heißgasturbinen-System auf, das mindestens einen Erhitzer und eine Heißgasturbine aufweist. Dabei wird die Erzeugung elektrischer Energie aus dem gasförmigen Hochdruck-Speicherfluid mindestens teilweise als arbeitsleistende Entspannung in einem Heißgasturbinen- System durchgeführt, das mindestens einen Erhitzer und eine Heißgasturbine aufweist. Hierbei findet die Erzeugung von Energie aus dem Hochdruck-Speicherfluid außerhalb des Gasturbinen-Systems statt. Das "Heißgasturbinen-System" kann einstufig mit einem Erhitzer und einer einstufigen Turbine ausgebildet sein. Alternativ kann es mehrere Turbinen-Stufen, vorzugsweise mit Zwischenerhitzung, aufweisen. In jedem Fall ist es sinnvoll, hinter der letzen Stufe des Heißgasturbinen-Systems einen weiteren Erhitzer vorzusehen. Das
Heißgasturbinen-System ist vorzugsweise mit einem oder mehreren Generatoren zur Erzeugung elektrischer Energie gekoppelt.
Unter "Erhitzer" wird hier ein System zum indirekten Wärmeaustausch zwischen einem Heizfluid und dem gasförmigen Speicherfluid verstanden. Hiermit kann Restwärme oder Abwärme auf das Speicherfluid übertragen und zur Energieerzeugung im
Heißgasturbinen-System genutzt werden.
Die beiden Varianten können auch kombiniert werden, indem die
Gasexpansionseinheit sowohl eine oder mehrere Heißgas-Turbinen als auch ein oder mehrere Gasturbinen-Systeme aufweist. Dabei wird das gasförmige Hochdruck- Speicherfluid in zwei Schritten entspannt, wobei der erste Schritt als arbeitsleistende Entspannung in dem Heißgasturbinen-System und der zweite Schritt in dem
Gasturbinen-System durchgeführt werden, wobei das gasförmige Hochdruck- Speicherfluid dem Heißgasturbinen-System zugeleitet und dort auf einen
Zwischendruck entspannt wird, und dem Heißgasturbinen-System ein gasförmiges Zwischendruck-Speicherfluid entnommen, das schließlich dem Gasturbinen-System zugeleitet wird.
Die Luftbehandlungsanlage, in welcher im ersten Betriebsmodus die tiefkalte
Flüssigkeit erzeugt wird, kann als Tieftemperatur-Luftzerlegungsanlage oder als Luftverflüssigungsanlage ausgebildet sein.
Eine "Tieftemperatur-Luftzerlegungsanlage" wird mit atmosphärischer Luft beschickt und weist ein Destillationssäulen-System zur Zerlegung atmosphärischer Luft in ihre physikalischen Komponenten auf, insbesondere in Stickstoff und Sauerstoff. Hierzu wird die Einsatzluft zunächst in die Nähe ihres Taupunkts abgekühlt und dann in das Destillationssäulen-System eingeleitet.
Verfahren und Vorrichtungen zur Tieftemperaturzerlegung von Luft sind zum Beispiel aus Hausen/Linde, Tieftemperaturtechnik, 2. Auflage 1985, Kapitel 4 (Seiten 281 bis 337) bekannt.
Das Destillationssäulen-System der Erfindung kann als Ein-Säulen-System zur Stickstoff-Sauerstoff-Trennung ausgebildet sein, als Zwei-Säulen-System (zum
Beispiel als klassisches Linde-Doppelsäulensystem), oder auch als Drei- oder Mehr- Säulen-System. Es kann zusätzlich zu den Kolonnen zur Stickstoff-Sauerstoff- Trennung weitere Vorrichtungen zur Gewinnung hochreiner Produkte und/oder anderer Luftkomponenten, insbesondere von Edelgasen aufweisen, beispielsweise eine Argongewinnung und/oder eine Krypton-Xenon-Gewinnung.
Eine "Luftverflüssigungsanlage" enthält keinen Destillationssäulen-Teil. Im Übrigen entspricht ihr Aufbau dem einer Tieftemperatur-Luftzerlegungsanlage mit der Abgabe eines Flüssigprodukts. Selbstverständlich kann auch in einer Tieftemperatur- Luftzerlegungsanlage Flüssigluft als Nebenprodukt erzeugt werden.
Die tiefkalte Flüssigkeit kann durch verflüssigte Luft und/oder Flüssigstickstoff gebildet werden, oder allgemein durch ein Fluid, das weniger Sauerstoff als die atmosphärische Luft enthält. Auch eine Kombination zweier oder mehrerer Speicherfluide gleicher oder unterschiedlicher Zusammensetzung aus der gleichen Luftbehandlungsanlage oder aus einer Mehrzahl von Luftbehandlungsanlagen kann im Rahmen der Erfindung eingesetzt werden.
Unter "Stickstoff' wird hier sowohl reiner oder im Wesentlichen reiner Stickstoff verstanden als auch ein Gemisch aus Luftgasen, dessen Stickstoffgehalt höher als derjenige der atmosphärischen Luft ist. Zum Beispiel weist der Flüssigstickstoff einen Stickstoffgehalt von mindestens 90 %, vorzugsweise mindestens 99 % auf. (Alle Prozentangaben beziehen sich hier und im Folgenden auf die molare Menge, soweit nichts anderes angegeben ist.)
Vorzugsweise tritt auch in dem zweiten Betriebsmodus der Hochdruckstrom unter demselben überatmosphärischen Druck in dem Wärmetauscher-System (21) in indirekten Wärmeaustausch mit dem zweiten flüssigen Kälteträger und mit dem ersten flüssigen Kälteträger. Es braucht also keine Maschine zur Druckerhöhung zwischen dem Wärmeaustausch mit dem zweiten Kälteträger und dem Wärmeaustausch mit dem ersten Kälteträger eingesetzt zu werden.
Die Erfindung betrifft außerdem eine Vorrichtung zur Erzeugung von Energie gemäß Patentanspruch 12. Unter "Regeleinrichtung" ist hier eine Vorrichtung zu verstehen, welche die automatische Regelung des Systems zumindest während des ersten
Betriebsmodus und während des zweiten Betriebsmodus bewerkstelligt. Vorzugsweise ist sie dazu in der Lage, den Übergang vom ersten in den zweiten Betriebsmodus und umgekehrt automatisch durchzuführen. Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann durch Vorrichtungsmerkmale ergänzt werden, die den Merkmalen der abhängigen
Verfahrensansprüche entsprechen.
Die Erfindung sowie weitere Einzelheiten der Erfindung werden im Folgenden anhand von in den Zeichnungen schematisch dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Hierbei zeigen:
Figur 1a und 1 b die grundlegende Funktionsweise der Erfindung im ersten beziehungsweise zweiten Betriebsmodus,
Figuren 2a und 2b eine detailliertere Darstellung einer ersten Ausführungsform einer Luftbehandlungsanlage, die bei der Erfindung eingesetzt werden kann, Figuren 3a und 3b eine detailliertere Darstellung einer zweiten Ausführungsform einer Luftbehandlungsanlage, die bei der Erfindung eingesetzt werden kann, und
Figur 4 mögliche Ausführungsformen der Gasexpansionseinheit.
Die Gesamtanlage der Figuren 1 a und 1 b besteht aus drei Einheiten, einer
Luftbehandlungsanlage 100, einem Flüssigtank 200 und einer Gasexpansionseinheit 300. In Figur 1a ist der erste Betriebsmodus (Billigstromphase - in der Regel nachts) dargestellt. Hierbei wird atmosphärische Luft (AIR) als Einsatzluft in die
Luftbehandlungsanlage 100 eingeleitet. In der Luftbehandlungsanlage wird eine tiefkalte Flüssigkeit 101 erzeugt, die beispielsweise als Flüssigluft ausgebildet ist. Die Luftbehandlungsanlage wird als Verflüssiger (insbesondere als Luftverflüssiger) betrieben. Die tiefkalte Flüssigkeit 101 wird in den Flüssigtank 200 eingeleitet, der unter einem niedrigen Druck LP von weniger als 2 bar betrieben wird.
Innerhalb der Luftbehandlungsanlage 100 wird die Einsatzluft über ein Filter 1 von einer Luftverdichtungseinheit 2 angesaugt und bis auf einen Druck MP (4 bis 8 bar, insbesondere 5 bis 8 bar) verdichtet, in einer Vorkühlungseinrichtung 3 gekühlt und in einer Molsiebadsorber-Station 4 getrocknet und von Kontaminationen wie C02 und Kohlenwasserstoffen gereinigt. Die verdichtete und gereinigte Luft wird in einem Wärmetauscher-System 21 abgekühlt und verflüssigt. Die tiefkalte Flüssigkeit 101 wird in den Flüssigtank 200 geleitet. (Das Wärmetauscher-System 21 ist in den Figuren 1 a und 1 b nur sehr schematisch dargestellt; weitere Details sind in den Figuren 2a bis 3b gezeigt.)
Ein erster kalter Kälteträgerspeicher 151 enthält flüssiges Ethanol (C2H5OH) als "ersten Kälteträger" auf einem ersten Temperaturniveau T1 von -1 10°C unter einen niedrigen Druck von weniger als 2 bar. Das flüssige erste Kältemittel wird mittels einer ersten Kälteträgerpumpe 29 über Leitung 161 unter T1 in eine erste Passagengruppe des Wärmetauscher-System 21 eingespeist. Am warmen Ende des Wärmetauscher- Systems 21 wird es - weiterhin im flüssigen Zustand auf einem zweiten, höheren Temperaturniveau T2 von 19°C wieder entnommen und in einen ersten warmen Kälteträgerspeicher 152 eingeleitet, der auf dem zweiten Temperaturniveau und ebenfalls unter einem niedrigen Druck von weniger als 2 bar betrieben wird..
Ein zweiter kalter Kälteträgerspeicher 153 enthält flüssiges Propan (C3H8) als "zweiten Kälteträger" auf einem dritten Temperaturniveau T3 von -180°C unter einen niedrigen Druck von weniger als 2 bar. Das flüssige zweite Kältemittel wird mittels einer zweiten Kälteträgerpumpe 28 über Leitung 163 unter T3 in eine zweite Passagengruppe des Wärmetauscher-System 21 eingespeist, und zwar an dessen kaltem Ende. An einer Zwischenstelle des Wärmetauscher-Systems 21 wird es - weiterhin im flüssigen Zustand auf einem vierten, höheren Temperaturniveau T4 von -90°C wieder entnommen und in einen zweiten warmen Kälteträgerspeicher 154 eingeleitet, der auf dem vierten Temperaturniveau und ebenfalls unter einem niedrigen Druck von weniger als 2 bar betrieben wird. Figur 1 b zeigt den zweiten Betriebsmodus (Spitzenstrom-Phase - in der Regel tagsüber). Die tiefkalte Flüssigkeit 103 (zum Beispiel Flüssigluft) wird aus dem
Flüssigtank 200 entnommen, in einer Pumpe 27 auf einen erhöhten Druck von HP1 (HP1 ist größer als 12 bar, beispielsweise gleich ca. 60 bar) gebracht, und als
"Hochdruckstrom" in der Luftbehandlungsanlage verdampft und bis auf etwa
Umgebungstemperatur angewärmt und als gasförmige Hochdruck-Speicherfluid 104 abgezogen.
Das verdampfte Hochdruck-Speicherfluid 104 wird unter dem Druck HP1 zur
Gasexpansionseinheit 300 geleitet. Die Leistung P3, die an der Gasexpansionseinheit 300 im zweiten Betriebsmodus zur Verfügung steht, beträgt beispielsweise 20 bis
70 %, vorzugsweise 40 bis 65 % der Leistung P1 , die im ersten Betriebsmodus von der Luftbehandlungsanlage 100 verbraucht wird.
Die für die Verdampfung des Hochdruckstroms erforderliche Wärme wird
erfindungsgemäß von den beiden Kälteträgern geliefert, die durch dieselben
Passagengruppen des Wärmetauscher-Systems 21 wie im ersten Betriebsmodus geschickt werden, aber in umgekehrter Richtung. Das erste Kältemittel wird dabei über die Pumpe 29 und Leitung 162 aus dem ersten warmen Kälteträgerspeicher 152 zum warmen Ende des Wärmetauscher-Systems gefördert und nach Abkühlung vom zweiten Temperaturniveau T2 auf das erste Temperaturniveau T1 über Leitung 164 in den ersten kalten Kälteträgerspeicher 151 eingeleitet. Analog dazu wird das zweite Kältemittel wird über die Pumpe 28 und Leitung 164 aus dem zweiten warmen
Kälteträgerspeicher 154 zum Wärmetauscher-System 21 gefördert und nach
Abkühlung vom vierten Temperaturniveau T4 auf das dritte Temperaturniveau T3 über Leitung 163 in den zweiten kalten Kälteträgerspeicher 153 eingeleitet. Damit wird die Verdampfungskälte der tiefkalten Flüssigkeit 103 als fühlbare Wärme in den
Kälteträgern gespeichert und steht im ersten Betriebsmodus wieder für die Erzeugung tiefkalter Flüssigkeit zur Verfügung. Die Herstellung der tiefkalten Flüssigkeit und die Wärmeübertragung auf die
Kälteträger einerseits und die Verdampfung des Hochdruckstroms tiefkalten Flüssigkeit und die Kälteübertragung auf die Kälteträger andererseits werden in denselben Prozesseinheiten durchgeführt. Im ersten und zweiten Betriebsmodus können somit dieselben Apparate genutzt werden. Dadurch ergibt sich ein relativ niedriger apparativer Aufwand.
Der Luftverdichtungseinheit 2 kann in einer ersten Ausführungsvariante während des zweiten Betriebsmodus abgeschaltet werden (siehe Figur 2b unten); in einer zweiten Ausführungsvariante (Figur 3b unten) läuft sie auch im zweiten Betriebsmodus weiter und liefert zusätzliche Druckluft in die Leitung 104 zur Gasexpansionseinheit 300.
Eine Verflüssigungsphase (durchgehender Betrieb im ersten Betriebsmodus) und eine Verdampfungsphase (durchgehender Betrieb im zweiten Betriebsmodus) können jeweils ein bis zehn Stunden dauern. Während eines Tages können jeweils eine oder mehrere Verdampfungs- und Verflüssigungsphasen gefahren werden. Je nach Bedarf kann die Luftbehandlungsanlage im Übergangszeitraum zwischen je zwei solchen Phasen abgeschaltet werden.
In den Figuren 2a und 2b ist eine mögliche Gestaltung der Luftbehandlungsanlage 100 der Figur 1 dargestellt, die hier als Luftverflüssiger ausgebildet ist.
Figur 2a zeigt wiederum den ersten Betriebsmodus (die Verflüssigungsphase). Hier wird Umgebungsluft (AIR) über das Filter 1 von der Luftverdichtungseinheit 2 angesaugt und bis auf einen Druck MP (4 bis 8 bar, insbesondere 5 bis 8 bar) verdichtet, in der Vorkühlungseinrichtung 3 gekühlt und in der Molsiebadsorber-Station 4 getrocknet und von Kontaminationen wie C02 und Kohlenwasserstoffen gereinigt. Die verdichtete und gereinigte Luft unter MP wird in einen ersten Teilstrom und einen zweiten Teilstrom aufgeteilt. Der erste Teilstrom wird zu einem separaten Verdichter, dem Kreislaufverdichter 1 1 geleitet und dort vom Druck MP aus bis auf einen höheren Druck HP2 von 50 bis 100 bar verdichtet, in einem Nachkühler bis auf etwa
Umgebungstemperatur gekühlt und anschließend unter HP2 in dem Wärmetauscher- System 21 abgekühlt und pseudo-verflüssigt, in einem Drosselventil auf den Druck MP entspannt und schließlich in mindestens teilweise flüssigem Zustand in eine
Phasentrenneinrichtung (Separator) 23 eingespeist.. Die gasförmige Fraktion aus der Phasentrenneinrichtung 23 wird durch das Wärmetauscher-System 21 geleitet, dort angewärmt und gemeinsam mit der Luft aus der Molsiebadsorber-Station 4 zu dem Saugstutzen des Kreislaufverdichters 1 1 geführt und bildet damit einen Luftkreislauf.
Der zweite Teilstrom wird in einem Nachverdichter 6a mit Nachkühler auf einen den noch höheren Druck MP2 nachverdichtet und anschließend in dem Wärmetauscher- System 12 von etwa Umgebungstemperatur auf eine erste Zwischentemperatur von 140 bis 180 K abgekühlt. In einer Turbine 5b wird der zweite Teilstrom auf den niedrigen Druck LP (LP < 2 bar) arbeitsleistend entspannt. Der Nachverdichter 5a wird über eine gemeinsame Welle von der Turbine 12b angetrieben. Der arbeitsleistend entspannte zweite Teilstrom der Einsatzluft wird im Wärmetauscher-System 21 wieder auf Umgebungstemperatur angewärmt und in die Atmosphäre abgeblasen (amb). Eine Teilmenge kann auch als Regeneriergas für die Molsiebadsorber-Station 4 verwendet werden. Das Regeneriergas wird durch Dampf, Elektroerhitzer oder Erdgasfeuerung angewärmt (Wärmemenge Q).
Alternativ wird die Molsiebadsorber-Station 4 während des ersten Betriebsmodus überhaupt nicht regeneriert, sondern lediglich im zweiten Betriebsmodus. Dauert der durchgehende Betrieb im ersten Betriebsmodus weniger als etwa 6 Stunden, ist dies ohne Weiteres möglich. Die Molsiebadsorber-Station wird dann innerhalb eines Betriebsmodus nicht umgeschaltet; sie kann dann auch mittels eines einzigen
Adsorber-Behälters realisiert sein oder mittels mehrerer Behälter, die parallel betrieben werden.
Die Flüssigkeit aus der Phasentrenneinrichtung 23 wird in einem Unterkühler 24 unterkühlt und zum größten Teil (101 ) als tiefkalte Flüssigkeit in den Flüssigtank 200 geleitet. Zur Unterkühlung wird eine Flüssigluftteilmenge 26 verwendet, die nach der Unterkühlung 24 entnommen wird, in einem Drosselventil 25 bis auf den Druck LP entspannt und gemeinsam mit dem Turbinenabgas durch das Wärmetauscher-System 21 geleitet wird.
Im ersten Betriebsmodus wird Energie P1 = Pi a + P1 b in Form der Antriebsleistungen P1 a für die Luftverdichtungseinheit und P1 b für den Kreislaufverdichter zugeführt, sowie gegebenenfalls die Wärmemenge Q für die Regeneriergaserhitzung. Abgeführt wird keine Energie (außer über die Nachkühler der Verdichter), sondern Energie wird in Form der tiefkalten Flüssigluft im Flüssigtank 200 gespeichert.
Anhand von Figur 2b wird nun der zweite Betriebsmodus beschrieben. Hier werden die Turbine 5b, der Nachverdichter 5a, der Kreislaufverdichter 1 1 , die
Luftverdichtungseinheit 2 und die Joule-Thomson-Stufe (Drosselventile, Separator 23 und Unterkühler 24) abgeschaltet.
Flüssigluft (LAIR) 103 wird aus dem Flüssigtank 200 entnommen, in der Pumpe 27 auf den erforderlichen Druck HP1 von beispielsweise 50 bis 80 bar, vorzugsweise 40 bis 80 bar gebracht, als Hochdruckstrom in das Wärmetauscher-System 21 eingeleitet und dort pseudo-verdampft und bis auf etwa Umgebungstemperatur angewärmt. Die pseudo-verdampfte Luft wird schließlich als gasförmiges Hochdruck-Speicherfluid 104 zur Gasexpansionseinheit 300 geleitet.
Im Gegenstrom zu der (pseudo-)verdampfenden Luft 103 werden die beiden
Kälteträgerströme abgekühlt wie oben bei Figur 1 b beschrieben.
Im zweiten Betriebsmodus wird der Luftverdichtungseinheit keinerlei Antriebsenergie zugeführt. (Die Energie zum Antrieb von Flüssigpumpen ist vernachlässigbar gering und wird hier daher nicht berücksichtigt.)
Wenn die Molsiebadsorber-Station 4 während des zweiten Betriebsmodus regeneriert wird, kann ein Teil des gasförmigen Hochdruck-Speicherfluids 104, ein Teil des in der der Gasexpansionseinheit 300 erhitzten gasförmigen Hochdruck-Speicherfluids oder ein Teil des Abgases der Gasexpansionseinheit 300 als Regeneriergas genutzt werden (in der Zeichnung nicht dargestellt). Das Wärmetauscher-System 21 der Luftbehandlungsanlage wird sowohl für die Luftverflüssigung und Kälteträgererwärmung (im ersten Betriebsmodus) als auch für die Luftverdampfung und Kälteträgerabkühlung (im zweiten Betriebsmodus) genutzt.
Die zweite Variante der Erfindung wird im ersten Betriebsmodus gemäß Figur 3a wie die erste Variante (Figur 1 a) betrieben.
Figur 3b entspricht im Wesentlichen Figur 1 b, allerdings bleiben hier auch im zweiten Betriebsmodus die Luftverdichtungseinheit 2, der Kreislaufverdichter 1 1 und die Turbinen-Nachverdichter-Kombination 5a/5bin Betrieb.
In der Figur 4 sind mögliche Ausführungen der Gasexpansionseinheit 300 dargestellt. In den Ausführungen 4a und 4b wird eine konventionelle Gasturbine zur Entspannung verwendet, die Druckluft aus der Luftbehandlungsanlage wird vor der Brennkammer in die Gasturbine eingespeist. Die Wärme des Rauchgases am Austritt kann in einem Abhitzekessel (HRSG - Heat Recovery Steam Generator) verwendet werden (4a); alternativ wird sie anders verwendet, zum Beispiel zur Vorwärmung der Druckluft aus der Luftbehandlungsanlage (4b).
In der Ausführungen 4c und 4d wird eine umgebaute Gasturbine zur Entspannung verwendet, bei dieser Gasturbine wird der Kompressorteil entfernt. Die Druckluft aus der Luftbehandlungsanlage wird in die Brennkammer der restlichen Gasturbine eingespeist. Die Wärme des Rauchgases kann ähnlich wie im Verfahren mit der Gasturbine verwendet werden.
In der Ausführung 4e wird die Druckluft aus der Luftbehandlungsanlage zuerst angewärmt und in mehreren nacheinander geschalteten Turbinen/Turbinenstufen entspannt, zwischen den einzelnen Entspannungsstufen wird die Luft zusätzlich angewärmt. Dies stellt ein Ausführungsbeispiel für eine Gasexpansionseinheit dar, die ein Heißgasturbinen-System aufweist, das mindestens einen Erhitzer und eine Heißgasturbine aufweist - hier sind es jeweils zwei Erhitzer und Heißgasturbinen; alternativ kann das Heißgasturbinen-System auch mehr als zwei Stufen aufweisen. Die Ausführungsvarianten 4a und 4b sowie 4c und 4d können miteinander kombiniert werden.

Claims

Patentansprüche
Verfahren zur Erzeugung elektrischer Energie in einem kombinierten System aus Kraftwerk und Luftbehandlungsanlage, wobei das Kraftwerk eine erste
Gasexpansionseinheit (300) aufweist, die mit einem Generator zur Erzeugung elektrischer Energie verbunden ist, und die Luftbehandlungsanlage eine
Luftverdichtungseinheit (2), ein Wärmetauscher-System (21) und einen
Flüssigtank (200) aufweist, und wobei
in einem ersten Betriebsmodus
- in der Luftbehandlungsanlage
- Einsatzluft in der Luftverdichtungseinheit (2) verdichtet und in dem
Wärmetauscher-System (21) abgekühlt wird,
- aus der verdichteten und abgekühlten Einsatzluft ein Speicherfluid hergestellt wird,
- das Speicherfluid als tiefkalte Flüssigkeit (101) in dem Flüssigtank (200) gespeichert wird,
- ein Strom eines ersten Kälteträgers in flüssigem Zustand in das
Wärmetauscher-System (21) eingeleitet und dort von einem ersten
Temperaturniveau T1 auf ein zweites Temperaturniveau T2 angewärmt wird und
- ein Strom eines zweiten flüssigen Kälteträgers in flüssigem Zustand in das
Wärmetauscher-System (21) eingeleitet und dort von einem dritten
Temperaturniveau T3 auf ein viertes Temperaturniveau T4 angewärmt wird, und in einem zweiten Betriebsmodus
- tiefkalte Flüssigkeit (103) aus dem Flüssigtank (200) entnommen und als
Hochdruckstrom in dem Wärmetauscher-System (21) in indirektem
Wärmeaustausch verdampft oder pseudo-verdampft und angewärmt wird, und das dabei erzeugte gasförmige Hochdruck-Speicherfluid (104) in der
Gasexpansionseinheit (300) entspannt wird,
- ein Strom des ersten Kälteträgers in flüssigem Zustand in das Wärmetauscher-
System (21) eingeleitet und dort von dem zweiten Temperaturniveau T2 auf das erste Temperaturniveau T1 abgekühlt wird, und
- ein Strom des zweiten flüssigen Kälteträgers in flüssigem Zustand in das
Wärmetauscher-System (21) eingeleitet und dort von dem vierten
Temperaturniveau T4 auf das dritte Temperaturniveau T3 abgekühlt wird und - die (Pseudo-)Verdampfung der tiefkalten Flüssigkeit (103) durchgeführt wird, dadurch gekennzeichnet, dass
in dem ersten Betriebsmodus die in der Luftverdichtungseinheit (2) verdichtete Einsatzluft unter demselben Druck in dem Wärmetauscher-System (21) in indirekten Wärmeaustausch mit dem ersten flüssigen Kälteträger und mit dem zweiten flüssigen Kälteträger tritt.
Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass Anwärmung des ersten Kälteträgers in dem ersten Betriebsmodus und die Abkühlung des ersten Kälteträgers in dem zweiten Betriebsmodus in denselben Passagengruppen des Wärmetauscher-Systems (21) durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass Anwärmung des zweiten Kälteträgers in dem ersten Betriebsmodus und die Abkühlung des zweiten Kälteträgers in dem zweiten Betriebsmodus in denselben
Passagengruppen des Wärmetauscher-Systems (21) durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Temperaturniveau niedriger als das vierte Temperaturniveau liegt, insbesondere um mehr als 18 K niedriger.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass auch im zweiten Betriebsmodus Einsatzluft in der Luftverdichtungseinheit (2) verdichtet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Kraftwerk ein Gasturbinen-System mit Brennkammer, Gasturbinen-Expander und Generator aufweist und mindestens ein Teil des gasförmigen Hochdruck- Speicherfluids (104) in dem Gasturbinen-Expander eines Gasturbinen-Systems entspannt wird, wobei das Speicherfluid (104) stromabwärts des
(Pseudo-)Verdampfens (21) dem Gasturbinen-System zugeleitet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Gasexpansionseinheit ein Heißgasturbinen-System aufweist, das mindestens einen Erhitzer und eine Heißgasturbine aufweist. Verfahren nach Anspruch 6 und 7, dadurch gekennzeichnet, dass das gasförmige Hochdruck-Speicherfluid in zwei Schritten entspannt wird, wobei der erste Schritt als arbeitsleistende Entspannung in dem Heißgasturbinen-System und der zweite Schritt in dem Gasturbinen-System durchgeführt werden, wobei das gasförmige Hochdruck-Speicherfluid dem Heißgasturbinen-System zugeleitet und dort auf einen Zwischendruck entspannt wird, und dem Heißgasturbinen-System ein gasförmiges Zwischendruck-Speicherfluid entnommen, das schließlich dem Gasturbinen-System zugeleitet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Luftbehandlungsanlage (2) als Tieftemperatur-Luftzerlegungsanlage oder als Luftverflüssigungsanlage ausgebildet ist.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die tiefkalte Flüssigkeit (3) durch verflüssigte Luft oder Flüssigstickstoff gebildet wird.
1. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass in dem zweiten Betriebsmodus der Hochdruckstrom unter demselben
überatmosphärischen Druck in dem Wärmetauscher-System (21) in indirekten Wärmeaustausch mit dem zweiten flüssigen Kälteträger und mit dem ersten flüssigen Kälteträger tritt.
2. Vorrichtung zur Erzeugung elektrischer Energie mit einem kombinierten System aus Kraftwerk und Luftbehandlungsanlage, wobei das Kraftwerk eine erste Gasexpansionseinheit (300) aufweist, die mit einem Generator zur Erzeugung elektrischer Energie verbunden ist, und die Luftbehandlungsanlage eine
Luftverdichtungseinheit (2), ein Wärmetauscher-System (12) und einen
Flüssigtank (200) aufweist, und wobei die Vorrichtung eine Regeleinrichtung sowie Rohrleitungen und Steuerelemente aufweist, mit Hilfe derer sie in einem ersten und in einem zweiten Betriebsmodus gefahren werden kann, wobei
in einem ersten Betriebsmodus
- in der Luftbehandlungsanlage
- Einsatzluft in der Luftverdichtungseinheit (2) verdichtet und in dem
Wärmetauscher-System (12) abgekühlt wird, - aus der verdichteten und abgekühlten Einsatzluft ein Speicherfluid hergestellt wird,
- das Speicherfluid als tiefkalte Flüssigkeit (101) in dem Flüssigtank (200)
gespeichert wird,
- ein Strom eines ersten Kälteträgers in flüssigem Zustand in das
Wärmetauscher-System (21) eingeleitet und dort von einem ersten
Temperaturniveau T1 auf ein zweites Temperaturniveau T2 angewärmt wird, und
- ein Strom eines zweiten flüssigen Kälteträgers in flüssigem Zustand in das Wärmetauscher-System (21) eingeleitet und dort von einem dritten
Temperaturniveau T3 auf ein viertes Temperaturniveau T4 angewärmt wird, und in einem zweiten Betriebsmodus
- tiefkalte Flüssigkeit (103) aus dem Flüssigtank (200) entnommen und als
Hochdruckstrom in dem Wärmetauscher-System (21) unter
überatmosphärischem Druck verdampft oder pseudo-verdampft wird, und das dabei erzeugten gasförmigen Hochdruck-Speicherfluid (104) in der
Gasexpansionseinheit (300) entspannt wird,
- ein Strom des ersten Kälteträgers in flüssigem Zustand in das Wärmetauscher-
System (21) eingeleitet und dort von dem zweiten Temperaturniveau T2 auf das erste Temperaturniveau T1 abgekühlt wird, und
- ein Strom des zweiten flüssigen Kälteträgers in flüssigem Zustand in das
Wärmetauscher-System (21) eingeleitet und dort von dem vierten
Temperaturniveau T4 auf das dritte Temperaturniveau T3 abgekühlt wird, dadurch gekennzeichnet, dass
die Regeleinrichtung sowie die Rohrleitungen und die Steuerelemente so ausgebildet sind, dass in dem ersten Betriebsmodus die in der
Luftverdichtungseinheit (2) verdichtete Einsatzluft in dem Wärmetauscher-System (21) unter demselben Druck in indirekten Wärmeaustausch mit dem ersten flüssigen Kälteträger und mit dem zweiten flüssigen Kälteträger tritt.
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