EP2976509A2 - Kraftwerkssystem mit thermochemischem speicher - Google Patents

Kraftwerkssystem mit thermochemischem speicher

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Publication number
EP2976509A2
EP2976509A2 EP14707760.6A EP14707760A EP2976509A2 EP 2976509 A2 EP2976509 A2 EP 2976509A2 EP 14707760 A EP14707760 A EP 14707760A EP 2976509 A2 EP2976509 A2 EP 2976509A2
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
heat
thermochemical
power plant
water
container
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Withdrawn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
EP14707760.6A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Uwe Lenk
Alexander Tremel
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.)
Siemens AG
Original Assignee
Siemens AG
Siemens Corp
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 Siemens AG, Siemens Corp filed Critical Siemens AG
Priority to EP14707760.6A priority Critical patent/EP2976509A2/de
Publication of EP2976509A2 publication Critical patent/EP2976509A2/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01K—STEAM ENGINE PLANTS; STEAM ACCUMULATORS; ENGINE PLANTS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; ENGINES USING SPECIAL WORKING FLUIDS OR CYCLES
    • F01K3/00—Plants characterised by the use of steam or heat accumulators, or intermediate steam heaters, therein
    • F01K3/12—Plants characterised by the use of steam or heat accumulators, or intermediate steam heaters, therein having two or more accumulators
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01K—STEAM ENGINE PLANTS; STEAM ACCUMULATORS; ENGINE PLANTS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; ENGINES USING SPECIAL WORKING FLUIDS OR CYCLES
    • F01K13/00—General layout or general methods of operation of complete plants
    • F01K13/02—Controlling, e.g. stopping or starting
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01K—STEAM ENGINE PLANTS; STEAM ACCUMULATORS; ENGINE PLANTS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; ENGINES USING SPECIAL WORKING FLUIDS OR CYCLES
    • F01K3/00—Plants characterised by the use of steam or heat accumulators, or intermediate steam heaters, therein
    • F01K3/18—Plants characterised by the use of steam or heat accumulators, or intermediate steam heaters, therein having heaters
    • F01K3/188—Plants characterised by the use of steam or heat accumulators, or intermediate steam heaters, therein having heaters using heat from a specified chemical reaction
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28D—HEAT-EXCHANGE APPARATUS, NOT PROVIDED FOR IN ANOTHER SUBCLASS, IN WHICH THE HEAT-EXCHANGE MEDIA DO NOT COME INTO DIRECT CONTACT
    • F28D20/00—Heat storage plants or apparatus in general; Regenerative heat-exchange apparatus not covered by groups F28D17/00 or F28D19/00
    • F28D20/003—Heat storage plants or apparatus in general; Regenerative heat-exchange apparatus not covered by groups F28D17/00 or F28D19/00 using thermochemical reactions
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/14—Thermal energy storage

Definitions

  • the present invention relates to a power plant system with a heat generating means for providing thermal energy, as well as an associated Wasserdampf Vietnamese- run, which is switched ⁇ thermally ver with the heat generating unit. Furthermore, the present invention relates to a method for operating such a power plant system.
  • the power flexibility of power plants is determined i.a. through the temporal and performance-related behavior during load changes. Such are typically start-up, shutdown, as well as changes to the circuit in one
  • Partial load operation In particular, for example, in combined cycle power plants, the achievable load change behavior for flexible operation is a decisive technical factor, which determines whether and to what extent the power plant can be used for network stabilization measures. In such gas and steam turbine power plant, the gas turbine is typically relatively fast
  • thermal storage devices In order to remedy this disadvantage of the prior art, the use of thermal energy can be temporarily stored, the energy can then be made available at short notice in case of increased demand.
  • thermal storage are particularly suitable for a thermal assist startup of a combinable ⁇ th gas and steam turbine power station after the area of the water-steam circuit of a cooling has already occurred. If after such a cooling, for example, once again electrical power is provided by the power plant, additional heat can be supplied to the steam part from the thermal energy store in order to enable a faster startup of the entire power plant.
  • thermal storage are based on the technology of sensitive heat storage or latent heat storage.
  • the 5,127,470 proposes to introduce waste heat into a set of chemical heat accumulators in order to temporarily store the waste heat after transfer into chemical energy in the heat accumulators.
  • a set of chemical heat storage each includes two storage containers, each set is thermally interconnected with the other set
  • thermochemical storage which is also connected thermally with the water-steam cycle, wherein the thermochemical storage is thermally connected to an exhaust pipe of the heat generating unit, wherein the thermochemical memory has two containers which are fluidically interconnected, wherein in a first container, a thermochemical storage material is arranged, and where ⁇ in the first container by thermally conditioned exhaust gas of the planteer Wegungse heat can be supplied with heat, and wherein the second container with a heat exchanger ⁇ heat is technically connected, via which the second container can be supplied with low temperature heat at a temperature level of 150 ° C highest.
  • thermochemical storage by supplying heat at a first temperature level Tl to the thermo ⁇ chemical storage;
  • thermochemical storage Temporarily storing at least a portion of this heat in the thermochemical storage in chemical form
  • thermochemical storage Discharging the thermochemical storage at a second temperature level T2 and dissipating heat from this un ⁇ ter transfer of heat to the water-steam cycle, wherein the discharge of the thermochemical storage under supply of low-temperature heat takes place at a Tempe ⁇ ratursome of at most 150 ° C. ,
  • the heat generation unit is orgwei ⁇ se designed as a gas turbine combustion chamber as a powered with synthetic or fossil fuel power plant or as a nuclear reactor of a nuclear power plant.
  • the water-steam cycle should also be understood in its general meaning.
  • the water-steam cycle thus includes all components such as a heat recovery steam generator, the associated piping and connections and leads to the power generation device.
  • thermochemical storage for thermal energy storage in a power plant.
  • latent heat storage and sensitive heat storage has a thermochemical heat storage on a much higher storage density.
  • Thermochemical memory ⁇ typi cally (usually between solid and gas, or between liquid and gas) can save time by thermi ⁇ specific energy use in this case a physical and / or chemical sorption process or a chemical reaction.
  • an amount of heat introduced into the thermochemical storage can be used to advance, for example, a desorption process between two reactants in order to separate them again.
  • the resulting free reaction products are now at about a higher energy level, whereby the amount of heat introduced in the form of chemical energy can be cached.
  • thermo energy is released again. This released thermal energy can now be provided for removal from the thermochemical storage and for further use in the power plant system. The occurring during the storage processes chemical or physical reactions are reversible, so there is no consumption reaction partner.
  • thermochemical heat storage the reactions occurring during this process are normally subject to a temperature and pressure dependence. These influences be ⁇ also agree on which side is the chemical equilibrium of reactions.
  • a chemical equilibrium can be formulated, for example, according to equation I as follows:
  • F represents a solid, G a gas and FG a reaction product of both.
  • F can also be a liquid which reacts with a gas, for example.
  • R is the gas constant and T is the temperature ⁇ Tempe.
  • the free reaction enthalpy AG can be determined as a function of the reaction enthalpy ⁇ and of the change in the entropy AS according to Equation III:
  • Dissociation reaction together with the starting product of the HT reaction leads to a heat ⁇ release at a higher temperature level T h (point 4).
  • the temperature release according to this reaction thus takes place at a temperature level T h , which is higher than the previously described temperature levels T m and ⁇ .
  • the reaction enthalpy ⁇ the HT-reaction is typically RESIZE ⁇ SSER than that of the LT-reaction, the heat liberated ⁇ amount at the point D is larger than the heat input required at point C of the LT-reaction.
  • the heat is supplied at points A and C at a comparable average temperature level T m . This represents a special case, since generally these heat can be supplied at different temperature levels.
  • a selection of suitable reactants may be due to the Berenchung the equilibrium position and the respective
  • thermochemical storage in the power plant system according to the invention, as already explained above, heat at different temperature levels can be integrated into the power plant processes. This also allows increased flexibility of the power plant system.
  • thermochemical memory for example, in comparison to the sensitive storage or
  • thermochemical storage by a relatively higher energy density.
  • a thermochemical storage can be made comparatively smaller, that is to say with less space required.
  • the stored amount of energy of a thermo-chemical storage is consequently higher by the reverse.
  • thermochemical storage Since the heat storage in a thermochemical storage also takes place in the form of chemical substances, the stored in a thermochemical storage amount of heat can be stored almost lossless over a relatively long period of time. Thus, even after a prolonged downtime of the power plant, the stored materials for improved start-up can be substantially completely made available again. Furthermore, the integration of a thermochemical storage in the power plant system also proves to be advantageous in that waste heat from other processes (eg return from the district heating network, waste heat from industrial processes) can be integrated. May processes especially in physical Desorptionspro- also heat at a relatively low temperature level to a sufficient dissociation rate ⁇ lead. The incorporation of heat sources at lower temperature levels and the release of heat at a hö ⁇ heren temperature level (as explained in FIG 1) can also be understood as a chemical heat pump, which works very energy ⁇ efficient.
  • thermochemical accumulator is heat-connected with an exhaust pipe of the heat-generating unit, wherein the thermochemical accumulator has two containers which are fluidically interconnected.
  • a thermochemical storage material is to be arranged, wherein the first container can be supplied with heat by thermally conditioned exhaust gas of the heat generating unit.
  • the second container is heat ⁇ technically connected to a heat exchanger, via which the second container can be supplied with low-temperature heat at a temperature level of 150 ° C highest.
  • the integration of low-temperature heat in the sense of a thermochemical heat pump ⁇ be used by the thermochemical storage. This is particularly mög ⁇ Lich at a temperature level which can no longer make economic sense other power plant technical uses of heat.
  • thermochemical storage of the heat-generating unit is out ⁇ clearly an exhaust gas stream from that downstream.
  • Inso ⁇ fern takes the thermochemical memory waste heat from the Ab ⁇ gas stream to storage and can this in chemical or physical form (ie in terms of released substances) caching.
  • thermochemical memory connected to an exhaust pipe, which is also coupled to the heat generating unit.
  • thermochemical memory can also pa ⁇ rallel to a partial line of the exhaust pipe in this exhaust pipe, be so connected in another part of the exhaust pipe line.
  • Such an interconnection allows the storage of thermal energy in the thermochemical storage when needed, but also allows thermal energy to pass the thermochemical storage.
  • Such embodiments increase the flexibility of the power plant system.
  • the heat generating unit is thermally connected to the thermochemical storage.
  • the interconnection can also be carried out by fluid technology.
  • heat can be used to heat generation unit to charge the thermochemical storage so that it can be available at a later date for emitting heat for Availability checked ⁇ supply.
  • Such temperature levels are suitable for advancing typical reactions in a thermochemical store.
  • thermochemical storage comprises at least two containers, which are fluidly connected to each other, wherein in a first container a thermochemical storage material is attached ⁇ arranged.
  • a thermochemical storage material are in turn listed in ⁇ example in Table I.
  • an inert gas can also be provided in the containers, which can be moved between the containers by a flow generator, for example a fan.
  • the first container can also be connected to a heat recovery steam generator comprised by the water-steam cycle.
  • support for the circulation between the two containers can be dispensed with by a flow generator between the two containers.
  • the construction of the thermochemical storage with provision of two containers allows a controlled charging and discharging of the memory.
  • Insbeson ⁇ particular allow the containers in case of interruption of the fluid-technical connection or in the presence of suitable reaction conditions, the long-term intermediate storage of thermal energy in chemical or physical form.
  • thermochemical storage material arranged in the first container is a metal oxide and / or a metal hydroxide.
  • the metal oxide as magnesium oxide, calcium oxide, barium oxide, Kup ⁇ feroxid or the metal hydroxide as magnesium hydroxide,
  • Calcium hydroxide, barium hydroxide or copper hydroxide be formed.
  • metal can carbonates or metal sulfates as storage materials vorgese ⁇ hen.
  • hydrates, in particular of chlorides, as storage material are conceivable (see also Table 1), which can be dehydrated by supplying heat.
  • the oxidation and reduction of metal oxides is also suitable for providing a suitable storage material.
  • the reaction of manganese-IV-oxide to manganese-III-oxide and vice versa by (air) oxygen conceivable.
  • Other suitable substances can be taken from Table I, for example. Such substances allow the provision of a largely harmless to handle, as well as inexpensive storage material.
  • thermochemical storage material is also disposed in the second container, wherein in particular the disposed in the second container thermochemical Speicherma ⁇ TERIAL is not identical to that arranged in the first container thermochemical storage material.
  • thermo ⁇ chemical storage material arranged in the second container in turn also comprises a metal oxide and / or a metal hydroxide.
  • the metal oxide as Magne ⁇ siumoxid, calcium oxide, barium oxide, copper oxide or the metal hydroxide Me ⁇ as magnesium hydroxide, calcium hydroxide, should
  • Barium hydroxide or copper hydroxide may be formed. Alterna ⁇ tively or in addition, substances can be provided, as described such as thermochemical storage material for the first container above.
  • thermochemical storage in the second container, the refrigerating capacity and in particular allows for operation of the thermochemical storage is to condense steam ⁇ shaped water.
  • this calf tesenke formed as a heat exchanger or interconnected with such a thermally, so as about the heat of condensation can be dissipated.
  • reaction heat can be removed, if a chemical or physical re ⁇ action results in the second container for heat release.
  • the cold sink can also be thermally connected to a low-temperature heat store, so that, for example, the heat released can be temporarily stored therein. To use this heat released, this can also be coupled in the region of a low-pressure part of the water-steam cycle.
  • a flow generator in particular a fan, is fluidically connected between the two containers.
  • the flow generator is capable of promoting the reaction rate by circulating a gas or fluid participating in the reaction, thereby contributing to the release of larger amounts of heat.
  • thermo-chemical accumulator again at least partially stabilized to be evaporated in order to subsequently be conducted to the first container ⁇ .
  • heat from a heat storage, or from a low-temperature source such as the district heating network can be removed.
  • thermochemical storage material is provided in the second container.
  • a cold sink can also be provided in the first container that is formed ver ⁇ parable, as the cold sink in the second Be ⁇ ratio.
  • thermochemical storage materials are provided in both containers, such a cold sink in the first container can serve for advantageous heat dissipation.
  • the second container is connected thermally to a heat exchanger through which the second container with a low temperature heat ver ⁇ ensures may be.
  • a supply of low tempera ⁇ tur Vietnamese is, for example, a supply of heat from technical cooling water, or wastewater from industrial processes, as well as heat from a district heating network (return to district heating water).
  • the first container may be provided with a towntau ⁇ shear.
  • thermochemical storage material is provided in both containers, such an embodiment makes sense.
  • Low temperature heat here typically has a temperature level of 150 ° C highest.
  • the embodiment of the heat exchanger can sometimes also be intended to work as a cold sink. For this purpose, the heat exchanger must be supplied with the appropriate cooling capacity.
  • the thermochemical storage is connected to the water-steam circuit not only thermo ⁇ tables but also fluid technology.
  • water or steam can be removed from the water-steam circuit in order to supply this or this to the thermochemical storage.
  • a pure ⁇ rtetetechni see interconnection, in contrast to the embodiment according to the fluidic interconnection no removal of water or steam from the water-steam cycle before.
  • the water thus removed can also be provided as a reaction product, for example by steaming with a thermochemical feedstock. material for heat release is brought into direct contact. Since this water also has hardly any impurities due to the purity of the water in the water-steam cycle, this steam is particularly well suited to supply the thermochemical storage with water vapor.
  • thermochemical storage is connected not only ebentech ⁇ cally but also indirectly fluidly with the water-steam cycle.
  • steam is taken from the water-steam cycle.
  • condensation of the water vapor ⁇ ses heat is released, which on a reaction (dissociation) leads in the first container.
  • the system of the thermo-chemical heat accumulator stores heat in chemical and / or physical form. The condensed water is returned to the water-steam cycle.
  • thermochemical storage has an air supply and an air discharge, via which air supply the thermochemical storage can be supplied with air, and via which air discharge the thermochemical storage can deliver thermally conditioned air.
  • air supply the thermochemical storage can be supplied with air
  • air discharge the thermochemical storage can deliver thermally conditioned air.
  • thermally conditioned air serves as a heat transfer medium, which transfers the heat to be dissipated from the thermochemical storage to the water-steam cycle.
  • Air is here and throughout the description referred to as a gas mixture containing nitrogen as the main component. It can therefore be both fresh air with a high oxygen and exhaust gas after a combustion process in which the oxygen concentration is usually lower and combustion products such as CO2 are also contained.
  • thermochemical storage is connected between the water-steam cycle and the planteer Wegungsein ⁇ unit .
  • This intermediate circuit allows behaves ⁇ tively short ways in the heat transfer, whereby the power losses are low.
  • waste heat of the heat generating unit can continue to serve after interaction with the thermochemical storage also for thermal conditioning of the water in the water-steam cycle.
  • the power plant system has adjusting means, which are designed to zuzulei ⁇ th a heat flow from the heat generating unit, in particular an exhaust gas stream of the heat generating unit to the thermochemical storage, or bypassing the thermochemical storage the water-steam Circulation zuzu financial.
  • This interconnection is particularly flexible, but can as be supplied on demand heat the thermochemical storage at about already fully ⁇ constant charging of the thermo-chemical accumulator, the heat bypassing the thermochemical memory can be directly supplied to the water-steam circuit.
  • the power station system is formed such that a thermal flow can be supplied to the thermo-chemical storage, starting from the heat-generating unit, in particular an exhaust gas flow of Wär ⁇ sea generating unit, wherein after heat-technical interaction of the residual heat current or correspondingly the exhaust gas flow is fed to the water-steam cycle.
  • a thermal flow can be supplied to the thermo-chemical storage, starting from the heat-generating unit, in particular an exhaust gas flow of Wär ⁇ sea generating unit, wherein after heat-technical interaction of the residual heat current or correspondingly the exhaust gas flow is fed to the water-steam cycle.
  • the remaining portion in the exhaust stream may be supplied to the water-steam cycle for vapor treatment insofar as the ⁇ .
  • a temporal staggering between the two power plant processes is not required.
  • thermochemical storage at ei ⁇ nem second temperature level T2 no generation of electrical energy by means of the power generating device takes place.
  • the execution of the water-steam cycle is thus maintained by continuous heat ⁇ supply from the thermochemical storage at a temperature level which is well above the temperature level at standstill or stand-by of the power plant system.
  • thermochemical storage takes place by supplying heat from an exhaust gas of the heat-generating unit and / or by supplying heat from the water-steam cycle.
  • thermochemical memory may insofar flexible, depending on Be ⁇ operating state of the power system are supplied with heat from below ⁇ difference intelligence sources. This increases the Flexi ⁇ stability of the power system.
  • thermochemical storage takes place with the supply of heat, in particular low-temperature heat at a temperature level of less than 150 ° C.
  • heat in particular low-temperature heat at a temperature level of less than 150 ° C.
  • thermodynamic state diagram for illustrating ⁇ lichung the reactions in a heat pump operating as thermo-chemical storage at charging and discharging
  • FIG. 2 shows a first embodiment of the power plant system 1 according to the invention in a schematic circuit diagram
  • Power plant system 1 in schematic circuit diagram; 5 shows a representation of a limbdiagrammatician exporting ⁇ approximate shape of the inventive method for operating a power plant system.
  • FIG. 1 shows a diagrammatic representation of the relationship between temperature (T) and pressure (p) shown in Equation V (see above!)
  • a thermochemical store 40 such as shown in FIG. 2 which operates as a heat pump.
  • the thermochemical memory 40 as already stated above, two containers 41 and 42, which are each provided with thermochemical storage material 45 and 46.
  • the charge of the thermochemical store 40 is approximately at a pressure level pi, wherein the first container 41 is supplied with heat at a temperature level T m (point A). Due to the released as a result of this heat supply fluid quantity (amount of gas) from the thermochemical
  • Storage material 45 and the supply to the second container 42, and the subsequent reaction in the second Be Struktur ⁇ nis 42 (point B) is a storage of thermal energy.
  • the discharge of the thermochemical memory 40 ER- follows at a relatively higher pressure p h, heat the second container 42 at a temperature level T m supplied ⁇ leads (point C).
  • the resulting free fluid (gas) is fed to the first container 41. Due to the ge running chemical or physical reactions in the first container 41 is a heat release at a relatively higher temperature level T h (point D). Further detailed embodiments can be taken from the comments above.
  • FIG. 2 shows a schematic representation of an execution ⁇ form a power plant system 1 according to the invention, which ne ⁇ ben one designed as a gas turbine heat generating unit 10 has a power generation device 30, which is connected thermally via a water-steam circuit 20 with a heat recovery steam generator 21st
  • the power generation device 30 may be designed as a steam part with a steam turbine for generating electrical energy. In this respect it Han punched the present case is a combined gas and steam turbine power plant ⁇ system.
  • the power plant system according to the invention has 1 egg ⁇ NEN thermochemical storage 40, which is also thermally connected to the water-steam cycle 20.
  • the thermochemical memory 40 in the wiring between the heat generating unit 10 and What ⁇ water-steam cycle 20 thermally interconnected.
  • the thermochemical storage 40 also influences the heat transfer rate of the exhaust gas 120 in the heat recovery steam generator 21.
  • the thermochemical storage 40 has a first container 41 and a second container 42, which are both interconnected by fluid technology.
  • a not further provided with reference numerals flow generator (fan) is provided.
  • the first container 41 has a thermochemical storage material 45 which dissociates chemically or physically when heat is transferred.
  • a particular feststoffiges or liquid dissociation ⁇ product remains behind in the first container 41, wohinge gen ⁇ a gaseous dissociation product by means of the fluid connection is led to the second container 42nd
  • the second container 42 has no further thermochemical storage material, since it is connected to a heat exchanger 44 operating as a cold sink 43.
  • the second container 42 may also be provided with a thermochemical storage material.
  • the heat exchanger 44 is configured to transfer the thermal heat in the second container 42 after transferring the dissociation product from the first container 41 to the second container 42 to a heat accumulator 50.
  • the correspondingly dissociated dissociation product for example water vapor
  • the first container 41 of the thermochemical store 40 is supplied with charge by thermally conditioned exhaust gas 120 with appropriate heat.
  • the exhaust gas 120 may be mixed with an appropriate amount of air 100 to achieve, for example, a reduction in the temperature level of the exhaust gas 120.
  • the thermochemical storage 40 has an air supply 47 and an air discharge 48, via which the thermochemical storage 40 can be supplied with exhaust gas 120 mixed with air 100.
  • air supply 47 can in principle also be suitable for the exclusive supply of exhaust gas 120.
  • thermochemical store 40 is fluidly connected between the heat generating unit 10 and the water-steam cycle 20.
  • the exhaust gas flow can be guided both partially through the thermochemical storage 40 for heat transfer, or else past it in a partial line extending parallel thereto, so that a heat supply of the thermochemical storage 40 can be omitted.
  • Such a parallel connection of two sub-lines increases the flexibility of the use of the thermochemical memory 40.
  • the waste heat steam generator 21 can continue to be supplied by means of the heat decoupled from the thermochemical store 40 in order to keep the thermal gradients in the water-steam cycle 20 substantially low.
  • the second container 42 can now be supplied from the heat accumulator 50 with thermal energy, wherein the heat exchanger 44 serves as a heat source.
  • the supply of this thermal energy is suffi ⁇ cient to re-evaporate about the accumulated in the second container 42 liquid water, so that the generated steam by means of the flow generator again the first ratio 41 can be supplied.
  • thermochemical storage material 45 in the first container 41 By Rekombinationsre ⁇ action of the thermochemical storage material 45 in the first container 41 with the water vapor a chemical or physical reaction is maintained, which generates a large amount of heat. This heat can be transferred to air 100, which is supplied to the thermochemical storage 40 via the air supply 47. The air is thereby promoted by the fan 100. The thus thermally conditioned air is discharged via the air outlet 48 from the thermochemical storage 40 and fed to the heat recovery steam generator 21. Accordingly, now connected to the heat recovery steam generator 21 water-steam cycle 20 can be supplied with heat so far that a cooling of the water-steam cycle 20 does not occur below a predetermined temperature limit. It can thus be ensured that the thermal gradients in the
  • Water-steam cycle 20 remain relatively low, so that a fast start-up of the power generating device 30, which is connected to the water-steam circuit 20, can be made possible. This significantly increases the flexibility of the present power plant system 1.
  • the water-steam circuit 20 includes the components of the heat recovery steam generator 21, but both are separated in a manner that is easy to understand.
  • FIG 3 shows a further embodiment of the invention shown SEN power system 1 in schematic circuit view wel ⁇ ches to le- from that shown in FIG 2 power system 1 differs diglich in that now the thermo ⁇ chemical storage fed 40 heat not the exhaust gas 120 of the taken as a gas turbine heat generating unit 10 is taken, but steam, which is taken from the water-steam circuit 20 in a medium-pressure part.
  • the heat recovery steam generator 21 herein shown comprises in addition to egg ⁇ nem economizer 25, an evaporator 26, two superheater 27, which are sequentially switched ⁇ ver in the water-steam circuit of the 20th
  • This embodiment of the water-steam Circuit is only an example, there are any further embodiments conceivable.
  • the power generating device 30 connected to the water-steam circuit is designed as a steam turbine providing a generator G. For the condensation of the steam in the water-steam circuit 20 ⁇ th steam is a capacitor 29th
  • thermochemical storage 40 To charge the thermochemical storage 40, steam is now removed from the water-steam cycle 20 between the evaporator 26 and the first superheater 27 during operation of the power plant system 1. This thus extracted steam is supplied to the first container 41, in which the thermochemical storage material 45 is arranged. The condensation of the steam releases heat which is released to the storage material 45. After heat transfer, the water is again supplied to the water-steam cycle 20 in the region between economizer 25 and evaporator 26.
  • thermochemical store 40 or of the power plant system 1 essentially correspond to those of the thermochemical store 40 or power plant system 1 shown in FIG.
  • thermo ⁇ chemical memory 40 is connected downstream of the designed as a gas turbine heat generating units 10.
  • the thermochemical memory 40 is not flowed through by exhaust gas 120.
  • the exhaust gas 120 of the heat generating unit 10 is wholly or partially passed through the first container 41.
  • there is typically a heat absorption or a slight cooling of the exhaust gas 120 for example by about 50 ° C.
  • the exhaust gas leaving the thermochemical store 40 can furthermore be thermally stored in the heat recovery steam generator 21. be used, whereby the generating capacity of the power plant system 1 is only slightly reduced.
  • water vapor H 2 0
  • This water vapor is passed into the second container 42.
  • the line can be made by supporting a flow generator.
  • the heat is dissipated to the heat exchanger 44 or cold sink 43, whereby the water vapor condenses.
  • the introduction of heat into the first container 41 is carried out at a temperature level of about 550 ° C (Tempera ⁇ turn level of the exhaust gas 120) before.
  • the condensation of water in the second container 42 can be done under pressure at about 120 ° C. According to internal estimates of the Applicant thermal energy that are introduced into the first container 41 by heat transfer, approximately 0.4 MWh of heat from the second container 42 must be dissipated for each megawatt hour.
  • This heat energy can be temporarily stored in the second container 42, for example in a heat accumulator 50 designed as a low-temperature accumulator.
  • the storage of this heat is not only cost effective but it can also realize large storage capacities.
  • this heat can also be coupled into the low-pressure part of the water-steam cycle 20 again. As a result, the losses due to the charging of the thermochemical storage system 40 can be reduced.
  • the energy content of the thermochemical store 40 can be used to keep the water / steam circuit 20 at an elevated temperature level, preferably at the operating temperature.
  • water is evaporated in the second container 42 and first container 41 fed by means of a Strö ⁇ mung generators.
  • the first container 41 it is also possible to integrate the first container 41 directly into the heat recovery steam generator 21, so that it would be possible to dispense with the flow generator.
  • the heat dissipated from the heat accumulator 50 the water condensed in the second container 42 can be evaporated, the evaporation taking place in a temperature range between 60 and 150 ° C. In this respect it is also possible to heat for this purpose
  • Equation VII CaO + H 2 O - Ca (OH) 2
  • Equation VII The reaction according to Equation VII is highly exothermic, releasing heat. This heat can now be used to continue to provide the water-steam circuit 20 with heat ver ⁇ .
  • heat At an assumed evaporation temperature of about 90 ° C in the second container 42, according to internal estimates of the Applicant in the first container 41 heat is generated at a temperature level of up to 500 ° C.
  • ⁇ de MWh which is released in the first container 41 of energy, about 0.4 MWh must be supplied to the second container 42 become. After complete reaction of the calcium oxide in the first container 41, the discharging process is completed.
  • thermochemical memory 40 Removing thermal energy from the first container 41 by discharging the thermochemical memory 40 only when the heat generating ⁇ designed as a gas turbine ⁇ unit 10 is not operated.
  • magnesium hydroxide or magnesium oxide can be provided as thermochemical storage material 45 in the first container 41.
  • it is advantageous to heat from the water-steam circuit 20 is at a lower temperature level to entneh ⁇ men.
  • saturated steam can be withdrawn in a temperature range from 200 ° C. to 230 ° C.
  • the decomposition of magnesium hydroxide according to equation VIII Mg (OH) 2 - MgO + H 2 0 (Equation VIII)
  • thermochemical storage filled with magnesium oxide can be discharged to the second container 42 by supplying low-temperature heat. This heat, in turn, causes the evaporation of water condensed therein, which is conducted into the first container 41 to maintain an exothermic reaction according to equation IX.
  • the reaction temperature is about 230 ° C. MgO + H 2 O -> Mg (OH) 2 (Equation IX)
  • thermochemical storage 40 When discharging the thermochemical storage 40, heat is transferred to pressurized water from the water-steam circuit 20, wherein the flow direction can be reversed in comparison to the flow direction shown in FIG. This allows a warm-keeping of the water-steam circuit 20 in ei ⁇ nem temperature range of up to about 230 ° C.
  • Figure 4 shows a further embodiment of the invention shown SEN power system 1, which is comparable to that shown in FIG 3 embodiment with the water Steam cycle 20 is fluidically interconnected.
  • the first container 41 is filled with a thermochemical storage material 45, but also the second container 42 with egg ⁇ nem second thermochemical storage material 46.
  • Such an embodiment is particularly advantageous when about waste heat in one Low temperature range is present, which can be used to operate the thermochemical storage 40 in terms of a thermochemical heat pump.
  • the second container 42 Kup ⁇ ferhydroxid which dissociated by application of heat to form water vapor.
  • the first container 41 for example, is magnesium oxide which can accommodate the free law so ⁇ te water again.
  • the thereby occurring Reakti ⁇ on in the first container 41 is highly exothermic, as already stated above.
  • thermochemical memory 40 may in turn heat from the first container 41 at a relatively low temperature level between 100 and 160 ° C, which is 42 performs supplied ⁇ to the second container, to raise to a higher temperature level.
  • wel ⁇ ches is located in the first container 41 at about 230 ° C .
  • FIG 5 shows an embodiment of the inventive method for operating a previously described Krafttechnikssys ⁇ tems 1, comprising the steps of:
  • thermochemical storage 40 Charging the thermochemical storage 40 by supplying heat at a first temperature level Tl to the thermochemical storage 40 (first process step 200);
  • thermochemical storage 40 Time saving at least a portion of this heat in the thermochemical storage 40 in chemical
  • thermochemical memory 40 Discharging the thermochemical memory 40 at a second temperature level T2 and dissipate heat this under transfer of heat to the water-steam circuit 20, wherein the discharge of the thermochemical memory 40 while supplying low-temperature heat he follows at a temperature level of at most 150 ° C (third step 220);

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Kraftwerksystem (1), umfassend eine Wärmeerzeugungseinheit (10) zur Bereitstellung von thermischer Energie, einen Wasser-Dampf-Kreislauf (20), welcher mit der Wärmeerzeugungseinheit (10) wärmetechnisch verschaltet ist, eine Stromerzeugungseinrichtung (30), welche durch die in dem Wasser-Dampf-Kreislauf (20) geführte thermische Energie zur Stromerzeugung energetisiert werden kann, sowie einen thermochemischen Speicher (40), welcher mit dem Wasser-Dampf-Kreislauf (20) ebenfalls wärmetechnische verschaltet ist, wobei der thermochemische Speicher (40) mit einer Abgasleitung der Wärmeerzeugungseinheit (10) wärmetechnisch verschaltet ist, und wobei der thermochemische Speicher (40) zwei Behältnisse (41, 42) aufweist die fluidtechnisch miteinander verschaltet sind, wobei in einem ersten Behältnis (41) ein thermochemisches Speichermaterial (45) angeordnet ist, und wobei das erste Behältnis (41) durch thermisch konditioniertes Abgas (120) der Wärmeerzeugungseinheit (10) mit Wärme versorgt werden kann, und wobei das zweite Behältnis (42) mit einem Wärmetauscher (44) wärmetechnisch verschaltet ist, über welchen das zweite Behältnis (42) mit Niedertemperaturwärme mit einem Temperaturniveau von höchsten 150° C versorgt werden kann.

Description

Beschreibung
Kraftwerkssystem mit thermochemischem Speicher Die vorliegende Erfindung betrifft ein Kraftwerkssystem mit einer Wärmeerzeugungseinrichtung zur Bereitstellung von thermischer Energie sowie einen dazugehörigen Wasserdampfkreis- lauf, der mit der Wärmeerzeugungseinheit wärmetechnisch ver¬ schaltet ist. Weiter betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Betrieb eines solchen Kraftwerkssystems.
Die Leistungsflexibilität von Kraftwerken bestimmt sich u.a. durch das zeitliche und leistungstechnische Verhalten bei Laständerungsvorgängen. Solche sind typischerweise Anfahr-, Abfahrvorgänge, wie auch Änderungen zur Schaltung in einen
Teillastbetrieb. Insbesondere etwa bei kombinierten Gas- und Dampfturbinenkraftwerken (GuD) ist das erzielbare Laständerungsverhalten für einen flexiblen Betrieb eine bestimmende technische Größe, die darüber entscheidet, ob und inwieweit das Kraftwerk für Netzwerkstabilisierungsmaßnahmen eingesetzt werden kann. Bei solchen Gas- und Dampfturbinenkraftwerk ist typischerweise die Gasturbine verhältnismäßig schnell
anfahrbar bzw. es sind schnelle Laständerungswechsel
vollführbar (in einem zeitlichem Größenordnungsbereich von Minuten) . Jedoch beschränken vor allem thermische Grundanforderungen, wie beispielsweise die Einhaltung von thermischen und zeitlichen Gradienten in dem Wasser-Dampf-Kreislauf, die zu unerwünschten mechanischen Spannungen beitragen können, die Geschwindigkeit von Laständerungswechsel im Dampfteil des Kraftwerks. Vergleichbare Einschränkungen können sich bei¬ spielsweise auch bei anderen Kraftwerkstechnologien (z.B. Fossile Verbrennungskraftwerke, Biomassekraftwerke, usw.) einstellen, bei welchen die Laständerungsgeschwindigkeiten durch die thermischen Grundvoraussetzungen eines Wasser- Dampf-Kreislaufs beschränkt sind.
Um diesen Nachteil aus dem Stande der Technik zu beheben, werden teilweise die Nutzung von thermischen Speichern vorge- sehen, mittels welcher thermische Energie zeitlich zwischengespeichert werden kann, wobei die Energie dann bei erhöhter Nachfrage kurzfristig zur Verfügung gestellt werden kann.
Ein Beispiel für einen solchen technischen Ansatz ist etwa in der Patentanmeldung WO 2012/150969 AI beschrieben, in welcher ein thermischer Speicher mit einer Gasturbine zum verbessert flexiblen Einsatz beschrieben ist. Hierbei wird etwa der thermische Speicher mit Wärme beladen zu Zeiten, zu welchen von einer Gasturbine eine nur geringe Stromerzeugungsleistung nachgefragt wird. Zu einem anderen Zeitpunkt jedoch, bei wel¬ chem etwa eine erhöhte Nachfrage nach elektrischer Energie vorliegt, kann diese in dem thermischen Speicher zwischengespeicherte Energie kurzfristig abgerufen werden, um sie in einem Rückverstromungsverfahren wieder in elektrische Energie zu überführen.
Derartige thermische Speicher eignen sich insbesondere für eine thermische Unterstützung des Anfahrens eines kombinier¬ ten Gas- und Dampfturbinenkraftwerks , nachdem im Bereich des Wasser-Dampf-Kreislaufs bereits eine Abkühlung erfolgt ist. Muss nach einer solchen Abkühlung beispielsweise wiederum elektrische Leistung durch das Kraftwerk zur Verfügung gestellt werden, kann dem Dampfteil aus dem thermischen Energiespeicher zusätzlich Wärme zugeführt werden, um ein schnelleres Anfahren des Gesamtkraftwerks zu ermöglichen. Derartige thermische Speicher sind auf der Basis der Technologie von sensiblen Wärmespeichern oder Latentwärmespeichern ausgeführt .
Nachteilig an diesen aus dem Stand der Technik bekannten Ansätzen ist jedoch, dass mittels dieser Speichertechnologien nur verhältnismäßig geringe thermische Energiedichten dem Kraftwerk im Falle einer Laständerung zugeführt bzw. abgeführt werden können. Um dennoch hohe Energiedichten zu erreichen wären verhältnismäßig große sensible Wärmespeicher oder Latentwärmespeicher erforderlich, die einen unerwünscht hohen Platzbedarf und Investitionsbedarf erfordern. Weiterhin nachteilig an den aus dem Stand der Technik bekannten Lösungsansätzen ist das aufgrund einer hohen Verlustleistung thermische Energie etwa bei längeren Stillstandszeiten des Kraftwerks ohne Nutzung verloren geht. Insbesondere auf¬ grund der hohen Temperaturniveaus, auf welchen die thermische Energie typischerweise zwischengespeichert wird, führt die thermische Speicherung zu einer hohen Verlustleistung.
Ebenso als nachteilig erweist sich bei den herkömmlichen, im Kraftwerksbereich eingesetzten thermischen Energiespeichern eine nur ungenügende Kontrolle über die Menge der aus dem thermischen Speicher entnommenen Energie. Meist erfordert dies eine komplizierte Strömungsführung, um die zeitlichen Temperaturanforderungen erfüllen zu können.
Um diese und ähnliche Nachteile zu vermeiden, schlägt die 5,127,470 vor, Abwärme in einen Satz von chemischen Wärmespeichern einzuführen, um die Abwärme nach Überführung in chemische Energie in den Wärmespeichern zeitlich Zwischenspeichern zu können. Ein Satz der chemischen Wärmespeicher umfasst jeweils zwei Speicherbehältnisse, wobei jeder Satz wärmetechnisch mit dem jeweils anderen Satz verschaltet is
Derartige chemische Wärmespeicher sind ebenfalls in der US 2010/0263832A1 beschrieben, wobei hier lediglich der Betrieb mit einem Satz umfassend zwei Speicherbehältnisse beschrieben ist .
Nachteilig an diesen aus dem Stand der Technik bekannten Ausführungsformen ist jedoch, dass die Wärmeversorgung der chemischen Wärmespeicher über eine zentrale Wärmequelle erfolgt. Im Falle der US 5,127,470 erfolgt diese Wärmeversorgung etwa über die Abwärme einer Verbrennungsmaschine, im Falle der US 2010/0263832A1 wird die Wärme etwa von einer
Solarthermieanlage bereit gestellt.
Aufgrund einer Wärmeversorgung auf einem hohen Temperaturniveau steht jedoch auch eine hohe Wärmeverlustleitung während des Betriebs zu befürchten, insbesondere während des Ladevor- gangs . Weiterhin kommt es zu unerwünschten Wärmeverlusten bei dem Wärmetransport zwischen den einzelnen Speicherbehältnis- sen der chemischen Wärmespeiche
Es stellt sich damit als technisch wünschenswert heraus, die¬ se Nachteile zu vermeiden und eine effiziente Wärmenutzung vorzuschlagen. Weiterhin ist es wünschenswert, eine verbes¬ sert kontrollierte Entnahme von Wärme bei Bedarf zu erlauben.
Erfindungsgemäß werden diese der vorliegenden Erfindung zugrundeliegenden Aufgaben durch ein Kraftwerkssystem gemäß Anspruch 1 sowie durch ein Verfahren zu Betrieb eines solchen Kraftwerkssystems gemäß Anspruch 11 gelöst.
Insbesondere werden diese der Erfindung zugrunde liegenden Aufgaben durch ein Kraftwerkssystem gelöst werden, welches eine Wärmeerzeugungseinheit zur Bereitstellung von thermischer Energie umfasst, einen Wasser-Dampf-Kreislauf, welcher mit der Wärmeerzeugungseinheit wärmetechnisch verschaltet ist, eine Stromerzeugungseinrichtung, welche durch die in dem Wasser-Dampf-Kreislauf geführte thermische Energie zur Strom¬ erzeugung energetisiert werden kann, sowie einen thermochemi- schen Speicher, welcher mit dem Wasser-Dampf-Kreislauf ebenfalls wärmetechnisch verschaltet ist, wobei der thermochemi- sche Speicher mit einer Abgasleitung der Wärmeerzeugungseinheit wärmetechnisch verschaltet ist, wobei der thermochemi- sche Speicher zwei Behältnisse aufweist die fluidtechnisch miteinander verschaltet sind, wobei in einem ersten Behältnis ein thermochemisches Speichermaterial angeordnet ist, und wo¬ bei das erste Behältnis durch thermisch konditioniertes Abgas der Wärmeerzeugungseinheit mit Wärme versorgt werden kann, und wobei das zweite Behältnis mit einem Wärmetauscher wärme¬ technisch verschaltet ist, über welchen das zweite Behältnis mit Niedertemperaturwärme mit einem Temperaturniveau von höchsten 150° C versorgt werden kann. Weiter werden diese der Erfindung zugrunde liegenden Aufgaben durch ein Verfahren zum Betrieb eines solchen, wie auch nachfolgend beschriebenen Kraftwerkssystems gelöst, welches fol¬ gende Schritte umfasst:
Laden des thermochemischen Speichers durch Zuführen von Wärme auf einem ersten Temperaturniveau Tl an den thermo¬ chemischen Speicher;
Zeitliches Speichern wenigstens eines Teils dieser Wärme in dem thermochemischen Speicher in chemischer Form;
Entladen des thermochemischen Speichers auf einem zweiten Temperaturniveau T2 und Abführen von Wärme aus diesem un¬ ter Übertragung von Wärme an den Wasser-Dampf-Kreislauf, wobei das Entladen des thermochemischen Speichers unter Zufuhr von Niedertemperaturwärme erfolgt auf einem Tempe¬ raturniveau von höchstens 150°C.
Ausführungsgemäß ist die Wärmeerzeugungseinheit typischerwei¬ se als Gasturbine, als Feuerungsraum eines mit synthetischen oder auch fossilen Brennstoffen betriebenen Kraftwerks oder auch als Kernreaktor eines Kernkraftwerks ausgebildet.
Vorliegend soll der Wasser-Dampf-Kreislauf zudem in seiner allgemeinen Bedeutung verstanden werden. Insbesondere umfasst der Wasser-Dampf-Kreislauf damit alle Bauteile etwa eines Abhitzedampferzeugers, die dazugehörigen Rohrleitungen sowie Anschlüsse und Ableitungen an der Stromerzeugungseinrichtung.
Die erfindungsgemäße Stromerzeugungseinrichtung ist bevorzugt als eine mit einem Generator versehene Dampfturbine ausgebil¬ det, welche mittels der thermischen Energie aus dem Dampf in dem Wasser-Dampf-Kreislauf betrieben werden kann (=
energetisiert werden kann) .
Die vorliegende Erfindung sieht vor, einen thermochemischen Speicher zur Zwischenspeicherung von thermischer Energie in ein Kraftwerk zu integrieren. Im Vergleich zu herkömmlichen in der Kraftwerkstechnik angewandten thermischen Speichern, Latentwärmespeicher und sensible Wärmespeicher, weist ein thermochemischer Wärmespeicher eine deutlich höhere Speicherdichte auf. Thermochemische Speicher nutzen hierbei typi¬ scherweise einen physikalischen und/oder chemischen Sorptionsvorgang bzw. eine chemische Reaktion (meist zwischen Feststoff und Gas bzw. zwischen Flüssigkeit und Gas) um thermi¬ sche Energie zeitlich speichern zu können. Hierbei kann beispielsweise eine in den thermochemischen Speicher eingeleitete Wärmemenge dazu genutzt werden, etwa einen Desorptionsvor- gang zwischen zwei Reaktanden voranzutreiben, um beider wieder zu trennen. Die daraus erhaltenen freien Reaktionsprodukte befinden sich nun etwa auf einem höheren Energieniveau, wodurch die so eingebrachte Wärmemenge in Form von chemischer Energie zwischengespeichert werden kann. Wird infolge einer angefragten Ausspeicherung von thermischer Energie etwa eine erneute Rekombination der freien Reaktionsprodukte in dem thermochemischen Speicher ausgelöst, wird wieder thermische Energie frei. Diese dabei frei werdende thermische Energie kann nun zur Abfuhr aus dem thermochemischen Speicher und zur weiteren Nutzung in dem Kraftwerkssystem vorgesehen werden. Die im Rahmen der Speichervorgänge ablaufenden chemischen bzw. physikalischen Reaktionen sind hierbei reversibel, so dass es zu keinem Verbrauch Reaktionspartner kommt.
Bei einer thermochemischen Wärmespeicherung unterliegen die dabei ablaufenden Reaktionen Reaktionspartner im Normalfall einer Temperatur- und Druckabhängigkeit. Diese Einflüsse be¬ stimmen auch, auf welcher Seite das chemische Gleichgewicht der Reaktionen liegt. Ein solches chemisches Gleichgewicht lässt sich etwa nach Gleichung I folgendermaßen formulieren:
F+vG^ FGV (Gleichung I)
Hierbei stellt F einen Feststoff dar, G ein Gas und FG ein Reaktionsprodukt von beiden. Alternativ kann F auch eine Flüssigkeit sein, die etwa mit einem Gas reagiert. Die freie Reaktionsenthalpie AG sowie die
Gleichgewichtskostante der chemischen Gleichgewichtsreaktion K, weisen den folgenden Zusammenhang gemäß Gleichung II auf: AG = - RT ln K (Gleichung II)
Hierbei ist R die allgemeine Gaskonstante sowie T die Tempe¬ ratur. Die freie Reaktionsenthalpie AG kann in Abhängigkeit der Reaktionsenthalpie ΔΗ sowie der Änderung der Entropie AS gemäß Gleichung III bestimmt werden:
AG = AH - TAS (Gleichung III)
Drückt man nun die Gleichgewichtkonstante K entsprechend dem Massenwirkungsgesetz im Sinne von Gleichung IV aus, lässt sich die Gleichgewichtskonstante K aus den relativen Partial- drücken des Gleichgewichtszustands der Reaktion nach Glei¬ chung I folgendermaßen näherungsweise bestimmen:
K = ^- (Gleichung IV)
P o
Hierbei wurden die Aktivitäten des Gases vereinfacht als de¬ ren Partialdrücke angenommen, wobei die Aktivität eines Fest¬ stoffes 1 ist. po ist weiterhin der Normaldruck des Reakti- onsgases. Aufgrund der obigen Verhältnisse ergibt sich damit folgender Zusammenhang gemäß Gleichung V:
, p l AS AH , . . ,
1η ^-^ = (Gleichung V)
R RT Da die Größen AS und AH allgemein nur schwach temperaturabhängig sind, ergibt damit etwa eine graphische Auftragung des logarithmischen Partialdrucks des Reaktionsgases pG gegen - f—I eine Gerade. Eine beispielhafte Auftragung zweier unterschiedlicher, jedoch miteinander gekoppelter Reaktionen (LT-Reaktion, für Low Temperature Reaktion, und HT-Reaktion, für High-Temperature- Reaktion) ist etwa in FIG 1 dargestellt. Gemäß der dort wie¬ dergegebenen Reaktionsverläufe wird etwa durch Zufuhr von Wärme auf einem mittleren Temperaturniveau Tm die Dissoziati¬ on eines Ausgangsstoffs gemäß der HT-Reaktion erreicht (Punkt A) . Das hierbei freiwerdende gasförmige Reaktionsprodukt kann in einer anderen Reaktion (LT-Reaktion) nun erneut reagieren. Da bei dieser zweiten Reaktion wiederum Wärme frei wird, ist eine Wärmeabfuhr erforderlich, um das Temperaturniveau auf einem Wert ΤΊ zu halten, der die zweite Reaktion erlaubt (Punkt B) . Beide Reaktionen erfolgen auf dem Druckniveau pi und führen zu einer Einspeicherung von Energie, da die Reaktionsenthalpie ΔΗ der HT-Reaktion typischerweise höher ist als die Reaktionsenthalpie ΔΗ der LT-Reaktion. Die Wärmezu¬ fuhr an Punkt A gemäß FIG 1 ist hierbei betragsmäßig größer als die notwendige Wärmeabfuhr an Punkt B.
Die Ausspeicherung von thermischer Energie aus diesem gekoppelten System erfolgt im Wesentlichen umgekehrt. Wird dem Reaktionsprodukt der LT-Reaktion nun erneut Wärme auf dem Temperaturniveau Tm zugeführt, erfolgt eine Dissoziation die¬ ses Reaktionsproduktes (Punkt C) . Hierbei stellt sich das Druckniveau Ph ein. Die Reaktion des dabei frei werdenden, gasförmigen Reaktionsprodukts aus der LT-
Dissosziationsreaktion zusammen mit dem Ausgangsprodukt der HT-Reaktion (etwa ein Feststoff, welcher nach der Dissoziation bei Punkt A zurück geblieben ist) führt zu einer Wärme¬ freisetzung auf einem höheren Temperaturniveau Th (Punkt 4) . Die Temperaturfreisetzung gemäß dieser Reaktion erfolgt also auf einem Temperaturniveau Th, welches höher als die zuvor beschriebenen Temperaturniveaus Tm und ΤΊ ist. Da wiederum die Reaktionsenthalpie ΔΗ der HT-Reaktion typischerweise grö¬ ßer ist als die der LT-Reaktion, ist die freigesetzte Wärme¬ menge an dem Punkt D größer als die notwendige Wärmezufuhr bei Punkt C der LT-Reaktion. Gemäß der in FIG 1 dargestellten Reaktionsabfolge erfolgt die Wärmezufuhr an den Punkten A und C bei einem vergleichbaren mittleren Temperaturniveau Tm. Dies stellt einen Spezialfall dar, da allgemein diese Wärmezufuhren auch auf unterschiedlichen Temperaturniveaus erfolgen können.
Eine Auswahl geeigneter Reaktionspartner kann aufgrund der Berenchung der Gleichgewichtslage sowie der jeweiligen
Reaktionsenthalpien ΔΗ vorgenommen werden. Beispielsweise Auswahlmöglichkeiten an geeigneten Reaktionspaaren werden weiter unten, bspw. in Tabelle I, noch im Einzelnen aufgeführt .
Durch die Verschaltung eines thermochemischen Speichers in dem erfindungsgemäßen Kraftwerkssystem kann, wie oben schon ausgeführt, Wärme auf unterschiedlichen Temperaturniveaus in die Kraftwerksprozesse eingebunden werden. Auch dies erlaubt eine erhöhte Flexibilisierung des Kraftwerkssystems.
Weiter zeichnet sich ein thermochemischer Speicher etwa im Vergleich zur sensiblen Speicherung oder zur
Latentwärmespeicherung durch eine verhältnismäßig höhere Energiedichte aus. Dadurch kann ein thermochemischer Speicher vergleichsweise kleiner, also unter geringerem Raumbedarf ausgebildet werden. Bei vergleichbarem Raumbedarf ist die gespeicherte Energiemenge eines thermo-chemischen Speichers folglich im Umkehrschluss höher.
Da die Wärmespeicherung in einem thermochemischen Speicher zudem in Form von chemischen Stoffen stattfindet, kann die in einen thermochemischen Speicher eingespeicherte Wärmemenge auch über einen verhältnismäßig langen Zeitraum nahezu verlustfrei gespeichert werden. So können auch nach längerer Stillstandszeit des Kraftwerks die bevorrateten Stoffe für ein verbessertes Anfahren im Wesentlichen vollständig wieder zur Verfügung gestellt werden. Weiterhin erweist sich die Einbindung eines thermochemischen Speichers in das Kraftwerkssystem auch insofern als vorteilhaft, als auch Abwärme aus anderen Prozessen (z.B. Rücklauf aus dem Fernwärmenetz, Abwärme aus Industrieprozessen) eingebunden werden kann. Gerade bei physikalischen Desorptionspro- zessen kann auch Wärmezufuhr auf einem verhältnismäßig niedrigem Temperaturniveau zu einer ausreichenden Dissoziations¬ rate führen. Das Einbinden von Wärmequellen auf geringeren Temperaturniveaus und das Freisetzen der Wärme auf einem hö¬ heren Temperaturniveau (wie zu FIG 1 erläutert) kann auch als chemische Wärmpumpe begriffen werden, die besonders energie¬ effizient arbeitet.
Erfindungsgemäß ist weiter vorgesehen, dass der thermochemische Speicher mit einer Abgasleitung der Wärmeerzeugungseinheit wärmetechnisch verschaltet ist, wobei der thermochemische Speicher zwei Behältnisse aufweist die fluidtechnisch miteinander verschaltet sind. In einem ersten Behältnis soll ein thermochemisches Speichermaterial angeordnet sein, wobei das erste Behältnis durch thermisch konditioniertes Abgas der Wärmeerzeugungseinheit mit Wärme versorgt werden kann. Das zweite Behältnis hingegen ist mit einem Wärmetauscher wärme¬ technisch verschaltet ist, über welchen das zweite Behältnis mit Niedertemperaturwärme mit einem Temperaturniveau von höchsten 150° C versorgt werden kann. Somit kann die Einbindung von Niedertemperaturwärme im Sinne einer thermochemi¬ schen Wärmepumpe durch den thermochemischen Speicher genutzt werden. Dies ist insbesondere auf einem Temperaturniveau mög¬ lich, welches andere kraftwerkstechnische Nutzungen der Wärme nicht mehr wirtschaftlich sinnvoll sein lässt.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist der thermochemische Speicher der Wärmeerzeugungseinheit hin¬ sichtlich eines Abgasstromes aus dieser nachgeschaltet. Inso¬ fern nimmt der thermochemische Speicher Abwärme aus dem Ab¬ gasstrom zu Einspeicherung auf und kann diese in chemischer bzw. physikalischer Form (also im Sinne von frei werdenden Stoffen) Zwischenspeichern. Besonders bevorzugt ist der thermochemische Speicher mit einer Abgasleitung verschaltet, die ebenfalls mit der Wärmeerzeugungseinheit gekoppelt ist. Ausführungsgemäß kann der thermochemische Speicher auch pa¬ rallel zu einer Teilleitung der Abgasleitung in diese Abgasleitung, also in eine weitere Teilleitung der Abgasleitung, verschaltet sein. Eine derartige Verschaltung ermöglicht die Einspeicherung von thermischer Energie in den thermochemi- schen Speicher bei Bedarf, erlaubt jedoch auch thermische Energie an dem thermochemischen Speichern vorbeizuführen. Derartige Ausführungsformen erhöhen die Flexibilität des Kraftwerkssystems .
Gemäß dem erfindungsgemäßen Kraftwerkssystem ist vorgesehen, dass auch die Wärmeerzeugungseinheit wärmetechnisch mit dem thermochemischen Speicher verschaltet ist. Ausführungsgemäß kann die Verschaltung auch fluidtechnisch erfolgen. Durch die Verschaltung kann Wärme der Wärmeerzeugungseinheit genutzt werden, um den thermochemischen Speicher aufzuladen, damit er zu einem späteren Zeitpunkt erneut zur Wärmeabgabe zur Verfü¬ gung stehen kann. Insbesondere erfolgt bei Betrieb des Kraft¬ werkssystems eine Versorgung des thermochemischen Speichers zur Aufladung mit Wärme auf einem Temperaturniveau von we¬ nigstens 200°C, bevorzugt von wenigstens 350°C und ganz be¬ sonders bevorzugt auf einem Temperaturniveau von wenigstens 500°C. Derartige Temperaturniveaus sind geeignet, in einem thermochemischen Speicher typisch ablaufende Reaktionen voranzubringen. Zu einer genaueren Darstellung der spezifischen Temperaturen sei auf die jeweiligen Reaktionen in Tabelle I verwiesen, die ausführungsgemäß vorliegend auch beansprucht werden .
Tabelle 1:
Reaktion Temperatur
Cu (OH) 2 <-> CuO + H20 10-200
MgS04-7H20 <-> MgS04 + 7H20 50 - 150
CuS04-5H20 <-> CuS04 + 5H20 120 - 160 ZnC03 * ZnO + C02 100 - 150
MgC03 * MgO + C02 250 - 550
CaC03 * CaO + C02 800 - 950
Mg (OH) 2 <-> MgO + H20 150 - 350
Ca (OH) 2 <-> CaO + H20 250 - 550
Ba (OH) 2 <-> BaO + H20 700 - 800
Ba02 <-> BaO + H 02 750 - 850
2K02 K20 + H 02 600 - 800
Gemäß der Erfindung ist weiter vorgesehen, dass der thermo- chemische Speicher wenigstens zwei Behältnisse aufweist, die fluidtechnisch miteinander verschaltet sind, wobei in einem ersten Behältnis ein thermochemisches Speichermaterial ange¬ ordnet ist. Derartige Speichermaterialen sind wiederum bei¬ spielsweise in Tabelle I aufgeführt. Bevorzug sind beide Be¬ hältnisse über wenigstens eine Rohrleitung, speziell über ei¬ nen Kreislauf, miteinander fluidtechnisch verschaltet. Wei- terhin kann zur Unterstützung der Zirkulation in einer solchen Verschaltung auch ein Inertgas in den Behältnissen vorgesehen sein, welches etwa durch einen Strömungsgenerator, beispielsweise einen Lüfter, zwischen den Behältnissen bewegt werden kann. Das erste Behältnis kann entsprechend einer be- vorzugten Ausführungsform der Erfindung auch mit einem von dem Wasser-Dampf-Kreislauf umfassten Abhitzedampferzeuger verschaltet sein. Gemäß dieser Ausführungsform kann auf eine Unterstützung der Zirkulation zwischen den beiden Behältnissen durch einen Strömungsgenerator zwischen den beiden Be- hältnissen verzichtet werden. Der Aufbau des thermochemischen Speichers unter Vorsehen von zwei Behältnissen ermöglicht eine kontrollierte Auf- und Entladung des Speichers. Insbeson¬ dere erlauben die Behältnisse bei Unterbrechung der fluid- technischen Verbindung bzw. bei Vorliegen von geeigneten Reaktionsbedingungen die langzeitige Zwischenspeicherung von thermischer Energie in chemischer bzw. physikalischer Form.
Entsprechend einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass das in dem ersten Behältnis angeordnete thermochemische Speichermaterial ein Metalloxid und/oder ein Metallhydroxid umfasst. Insbesondere soll das Metalloxid als Magnesiumoxid, Calciumoxid, Bariumoxid, Kup¬ feroxid bzw. das Metallhydroxid als Magnesiumhydroxid,
Calciumhydroxid, Bariumhydroxid oder Kupferhydroxid ausgebil- det sein. Alternativ oder auch zusätzlich können auch Metall- carbonate oder Metallsulfate als Speichermaterialien vorgese¬ hen sein. Ebenso sind Hydrate insbesondere von Chloriden als Speichermaterial denkbar (siehe auch Tabelle 1), welche durch Wärmezufuhr dehydratisiert werden können. Auch die Oxidation und Reduktion von Metalloxiden eignet sich, um ein geeignetes Speichermaterial zur Verfügung zu stellen. Hier wäre etwa die Reaktion von Mangan-IV-Oxid zu Mangan-III-Oxid und umgekehrt durch (Luft- ) Sauerstoff denkbar. Weitere geeignete Stoffe können etwa aus Tabelle I entnommen werden. Derartige Stoffe erlauben die Bereitstellung eines weitgehend ungefährlich zu handhabenden, wie auch kostengünstigen Speichermaterials.
Gemäß einer Weiterführung dieser Idee kann auch vorgesehen sein, dass auch in dem zweiten Behältnis ein thermochemisches Speichermaterial angeordnet ist, wobei insbesondere das in dem zweiten Behältnis angeordnete thermochemische Speicherma¬ terial nicht identisch ist mit dem in dem ersten Behältnis angeordneten thermochemischen Speichermaterial. Insbesondere umfasst auch das in dem zweiten Behältnis angeordnete thermo¬ chemische Speichermaterial wiederum ein Metalloxid und/oder ein Metallhydroxid. Bevorzugt soll das Metalloxid als Magne¬ siumoxid, Calciumoxid, Bariumoxid, Kupferoxid bzw. das Me¬ tallhydroxid als Magnesiumhydroxid, Calciumhydroxid,
Bariumhydroxid oder Kupferhydroxid ausgebildet sein. Alterna¬ tiv oder auch zusätzlich können auch Stoffe vorgesehen sein, wie sie etwa als thermochemisches Speichermaterial für das erste Behältnis weiter oben beschrieben wurden.
In einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung dieser Ausfüh- rungsform ist vorgesehen, dass in dem zweiten Behältnis eine Kältesenke vorgesehen ist, deren Kälteleistung bei Betrieb des thermochemischen Speichers insbesondere erlaubt, dampf¬ förmiges Wasser zu kondensieren. Insbesondere ist diese Käl- tesenke als Wärmetauscher ausgebildet bzw. mit einem solchen wärmetechnisch verschaltet, damit etwa die Kondensationswärme abgeführt werden kann. Alternativ kann auch Reaktionswärme abgeführt werden, falls eine chemische bzw. physikalische Re¬ aktion im zweiten Behältnis zur Wärmefreisetzung führt. In einer weiteren Ausführungsform kann auch die Kältesenke mit einem Niedertemperaturwärmespeicher wärmetechnisch verschaltet sein, so dass etwa die freiwerdende Wärme darin zeitlich zwischengespeichert werden kann. Zur Nutzung dieser freiwerdenden Wärme kann diese auch im Bereich eines Niederdruckteils des Wasser-Dampf-Kreislaufs eingekoppelt werden.
Zudem kann auch vorgesehen sein, dass zwischen den beiden Behältnissen ein Strömungsgenerator, insbesondere ein Lüfter fluidtechnisch verschaltet ist. Der Strömungsgenerator ist in der Lage, die Reaktionsrate durch Zirkulation eines an der Reaktion teilnehmenden Gases bzw. Fluids voranzutreiben und damit zur Freisetzung von größeren Wärmemengen beitragen.
Während der Zeit der Zwischenspeicherung befindet sich gemäß einer bevorzugten Ausführungsform im zweiten Behältnis typischerweise kondensiertes Wasser, welches zum Entladen des thermochemischen Speichers wieder wenigstens teilweise ver¬ dampft werden muss, um anschließend dem ersten Behältnis zu¬ geführt werden zu können. Zur Verdampfung dieses Wassers kann wiederum Wärme aus einem Wärmespeicher, bzw. aus einer Niedertemperaturquelle wie etwa dem Fernwärmenetzwerk entnommen werden. Diese Ausführungsform sieht vor, dass in dem zweiten Behältnis kein thermochemisches Speichermaterial vorgesehen ist. Alternativ kann in diesem zweiten Behältnis natürlich auch thermochemisches Speichermaterial vorgesehen sein, was dann ebenfalls eine Freisetzung von Wasserdampf unter Zufuhr von Wärme zur Folge hätte.
Neben dem hier beschriebenen gasförmigen Reaktanden Wasserdampf können auch andere gasförmige Stoffe, wie Ammoniak NH3, Wasserstoff H2 oder Kohlenstoffdioxid CO2 eingesetzt werden. In einer weiteren alternativen Ausführungsform kann auch im ersten Behältnis eine Kältesenke vorgesehen sein, die ver¬ gleichbar ausgebildet ist, wie die Kältesenke im zweiten Be¬ hältnis. Insbesondere dann, wenn in beiden Behältnissen thermochemische Speichermaterialien vorgesehen sind, kann eine solche Kältesenke im ersten Behältnis zur vorteilhaften Wärmeabfuhr dienen.
Gemäß der Erfindung ist vorgesehen, dass das zweite Behältnis mit einem Wärmetauscher wärmetechnisch verschaltet ist, über welchen das zweite Behältnis mit Niedertemperaturwärme ver¬ sorgt werden kann. Eine solche Versorgung mit Niedertempera¬ turwärme ist beispielsweise eine Versorgung mit Wärme aus kraftwerkstechnischen Kühlwässern, oder Abwässern aus Industrieprozessen, wie auch Wärme aus einem Fernwärmenetz (Rücklauf an Fernwärmewasser) . Alternativ oder zusätzlich hierzu kann natürlich auch das erste Behältnis mit einem Wärmetau¬ scher versehen sein. Insbesondere dann, wenn in beiden Behältnissen thermochemisches Speichermaterial vorgesehen ist, ist eine solche Ausführungsform sinnvoll. Niedertemperaturwärme weist hierbei typischerweise ein Temperaturniveau von höchsten 150° C auf. Der ausführungsgemäße Wärmetauscher kann mitunter auch dazu vorgesehen sein, als Kältesenke zu arbeiten. Hierzu ist der Wärmetauscher mit entsprechender Kälteleistung zu versorgen.
Entsprechend einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform de erfindungsgemäßen Kraftwerkssystems ist der thermochemische Speicher mit dem Wasser-Dampf-Kreislauf nicht nur wärmetech¬ nisch sondern auch fluidtechnisch verschaltet. Insbesondere ist vorgesehen, dass Wasser bzw. Dampf aus dem Wasser-Dampf- Kreislauf entnommen werden kann, um dieses bzw. diesen dem thermochemischem Speicher zuzuleiten. Eine reine wärmetechni sehe Verschaltung sieht im Gegensatz zur ausführungsgemäßen fluidtechnischen Verschaltung keine Entnahme von Wasser- bzw Dampf aus dem Wasser-Dampf-Kreislauf vor. Das so entnommene Wasser kann zudem auch als Reaktionsedukt vorgesehen sein, indem etwa der Wasserdampf mit einem thermochemischen Spei- chermaterial zur Wärmefreisetzung in direkten Kontakt gebracht wird. Da dieses Wasser aufgrund der Reinheit des in dem Wasser-Dampf-Kreislauf geführten Wassers ebenfalls kaum Verunreinigungen aufweist, eignet sich dieser Dampf besonders gut, um den thermochemischen Speicher mit Wasserdampf zu versorgen .
Entsprechend einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Kraftwerkssystems ist der thermochemische Speicher mit dem Wasser-Dampf-Kreislauf nicht nur wärmetech¬ nisch sondern auch indirekt fluidtechnisch verschaltet. In dieser Konfiguration wird beispielsweise Wasserdampf aus dem Wasser-Dampf-Kreislauf entnommen. Durch die Kondensation die¬ ses Wasserdampfs wird Wärme freigesetzt, die zu einer Reakti- on (Dissoziation) im ersten Behälter führt. Durch das System des thermo-chemischen Wärmespeichers wird dadurch Wärme in chemischer und/oder physikalischer Form gespeichert. Das kondensierte Wasser wird wieder in den Wasser-Dampf-Kreislauf zurückgeführt .
Entsprechend einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass der thermochemische Speicher eine LuftZuführung und eine Luftabführung aufweist, über welche LuftZuführung der thermochemische Speicher mit Luft ver- sorgt werden kann, und über welche Luftabführung der thermochemische Speicher thermisch konditionierte Luft abgeben kann. Eine solche Abgabe erfolgt insbesondere zur Wärmeüber¬ tragung an den Wasser-Dampf-Kreislauf . Insofern dient die aufgenommene, wie auch abgegebene thermisch konditionierte Luft als Wärmeträgermedium, welches die aus dem thermochemischen Speicher abzuführende Wärme an den Wasser-Dampf- Kreislauf überträgt. Eine solche Wärmeübertragung mittels Luft ist weitgehend ungefährlich und kann auch in industrie¬ technischem Maßstab gut kontrolliert werden.
Luft wird hier und in der gesamten Beschreibung als Gasgemisch bezeichnet, das als Hauptkomponente Stickstoff enthält. Es kann daher sowohl Frischluft mit einem hohen Sauerstoffge- halt eingesetzt werden, als auch Abgas nach einem Verbren- nungsprozess , bei dem die Sauerstoffkonzentration üblicher- weise geringer ist und zudem Verbrennungsprodukte wie CO2 enthalten sind.
Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass der thermochemische Speicher zwischen den Wasser-Dampf-Kreislauf und die Wärmeerzeugungsein¬ heit geschaltet ist. Diese Zwischenschaltung erlaubt verhält¬ nismäßig kurze Wege bei der Wärmeübertragung, wodurch die Verlustleistungen gering sind. Zudem kann die Abwärme der Wärmeerzeugungseinheit weiterhin nach Wechselwirkung mit dem thermochemischen Speicher auch zusätzlich noch zur thermischen Konditionierung des Wassers in dem Wasser-Dampf- Kreislauf dienen.
Entsprechend einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist vorgesehen, dass das Kraftwerkssystem Stellmittel aufweist, welche dazu ausgebildet sind, einen Wärmstrom ausgehend von der Wärmeerzeugungseinheit, insbesondere einen Abgasstrom der Wärmeerzeugungseinheit dem thermochemischen Speicher zuzulei¬ ten, oder aber unter Umgehung des thermochemischen Speichers dem Wasser-Dampf-Kreislauf zuzuleiten. Diese Verschaltung ist besonders flexibel, da bei Bedarf Wärme dem thermochemischen Speicher zugeführt werden kann aber etwa bei bereits voll¬ ständiger Aufladung des thermochemischen Speichers, die Wärme unter Umgehung des thermochemischen Speichers direkt dem Wasser-Dampf-Kreislauf zugeleitet werden kann.
Weiter kann gemäß einer ebenfalls vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung vorgesehen sein, dass das Kraftwerksystem derart ausgebildet ist, dass ein Wärmestrom ausgehend von der Wärmeerzeugungseinheit, insbesondere ein Abgasstrom der Wär¬ meerzeugungseinheit dem thermochemischen Speicher zugeleitet werden kann, wobei nach wärmetechnischer Wechselwirkung der Restwärmestrom bzw. entsprechend der Abgasstrom dem Wasser- Dampfkreislauf zugeleitet wird. Typischerweise wird aus dem Abgasstrom nur ein geringer Anteil an Wärme entnommen, um diesem dem thermochemischen Speicher zur Einspeicherung zuzuleiten. Der verbleibende Anteil im Abgasstrom kann insofern dem Wasser-Dampf-Kreislauf zur Dampfbereitung zugeführt wer¬ den. Insofern ist beispielsweise eine Aufladung des thermo- chemischen Speichers unter gleichzeitigem Betrieb des Wasser- Dampf-Kreislaufs möglich. Eine zeitliche Staffelung zwischen beiden kraftwerkstechnischen Prozessen ist insofern nicht erforderlich .
Gemäß einer ersten bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen, dass während des thermischen Entladens des thermochemischen Speichers auf ei¬ nem zweiten Temperaturniveau T2 keine Erzeugung von elektrischer Energie mittels der Stromerzeugungseinrichtung erfolgt. In anderen Worten heißt dies, dass die aus dem thermochemischen Speicher entnommene Wärme in erster Linie dem Warmhal¬ ten des Wasser-Dampf-Kreislaufs dient. Ausführungsgemäß wird also der Wasser-Dampf-Kreislauf durch kontinuierliche Wärme¬ zufuhr aus dem thermochemischen Speicher auf einem Temperaturniveau gehalten, welches deutlich über dem Temperaturniveau bei Stillstand bzw. bei Stand-By des Kraftwerkssystems liegt. Ist in Folge von erhöhter elektrischer Energienachfra¬ ge es erforderlich, das Kraftwerkssystem zur Stromerzeugung anzufahren bzw. das in Teillast sich befindliche Kraftwerks¬ system zur vermehrten Leistungsabgabe hochzufahren, kann dies in kürzerem Zeitraum erfolgen, da die thermischen Gradienten innerhalb des Wasser-Dampf-Kreislaufs deutlich geringer sind, als wenn der Wasser-Dampf-Kreislauf nicht mit Wärme aus dem thermochemischen Speicher versorgt worden wäre. Hierdurch sind also schnellere Lastwechsel des Kraftwerkssystems mög¬ lich.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen, dass das Laden des thermochemischen Speichers durch Zuführen von Wärme aus einem Abgas der Wärmeerzeugungseinheit und/oder durch Zuführen von Wärme aus dem Wasser-Dampf-Kreislauf erfolgt. Bevorzugt kann durch Entnahme von Dampf aus einem Mitteldruckteil des Abhitzedampferzeugers Wärme aus dem Wasser-Dampf-Kreislauf ab und dem thermochemischen Speicher zugeführt werden. Der thermochemische Speicher kann insofern flexibel, je nach Be¬ triebszustand des Kraftwerkssystems mit Wärme aus unter¬ schiedlichen Quellen versorgt werden. Dies erhöht die Flexi¬ bilität des Kraftwerkssystems.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass das Entladen des thermochemischen Speichers unter Zufuhr von Wärme erfolgt, insbesondere von Niedertemperaturwärme auf einem Temperaturniveau von weniger als 150° C. Somit kann die Einbindung von weiterer Wärme, insbesondere von Niedertemperaturwärme im Sinne einer thermo¬ chemischen Wärmepumpe durch den thermochemischen Speicher genutzt werden. Dies ist insbesondere auf einem Temperaturni¬ veau möglich, welches andere kraftwerkstechnische Nutzungen der Wärme nicht mehr wirtschaftlich sinnvoll sein lässt.
Nachfolgend soll die Erfindung anhand von Figuren im Detail dargestellt werden. Hierbei ist darauf hinzuweisen, dass die Figuren lediglich schematisch zu verstehen sind und keine Einschränkung hinsichtlich der Ausführbarkeit der Erfindung erlauben .
Weiter soll darauf hingewiesen werden, dass vorliegend die einzelnen in den Figuren aufgeführten technischen Merkmale für sich sowie auch in beliebiger Kombination miteinander beansprucht werden sollen, soweit die daraus resultierende Er¬ findung die der Erfindung zugrundeliegenden Aufgaben lösen kann .
Zusätzlich sei darauf hingewiesen, dass die in den Figuren mit gleichen Bezugszeichen versehenden technischen Merkmale gleiche technische Wirkungen bzw. Funktionen aufweisen.
Hierbei zeigen: FIG 1 ein thermodynamisches Zustandsdiagramm zur Veranschau¬ lichung der Reaktionen in einem als Wärmepumpe arbeitenden thermochemischen Speicher bei Laden und Entladen;
FIG 2 eine erste Ausführungsform des erfindungsgemäßen Kraftwerkssystems 1 in schematischer Schaltansicht;
FIG 3 eine weitere Ausführungsform des erfindungsgemäßen
Kraftwerkssystems 1 in schematischer Schaltansicht;
FIG 4 eine weitere Ausführungsform des erfindungsgemäßen
Kraftwerkssystems 1 in schematischer Schaltansicht; FIG 5 eine flussdiagrammatische Darstellung einer Ausfüh¬ rungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Betrieb eines Kraftwerkssystems 1.
FIG 1 zeigt eine diagrammatische Darstellung des in Gleichung V (siehe oben!) dargestellten Verhältnisses von Temperatur (T) und Druck (p) bei Laden und Entladen eines thermochemischen Speichers 40 (wie etwa in FIG 2 dargestellt) , welcher als Wärmepumpe arbeitet. Hierbei weist der thermochemische Speicher 40, wie oben bereits ausgeführt, zwei Behältnisse 41 und 42 auf, die jeweils mit thermochemischem Speichermaterial 45 und 46 versehen sind. Die Ladung des thermochemischen Speichers 40 erfolgt etwa auf einem Druckniveau pi, wobei das erste Behältnis 41 mit Wärme auf einem Temperaturniveau Tm versorgt wird (Punkt A) . Durch die infolge dieser Wärmezufuhr freigesetzte Fluidmenge (Gasmenge) aus dem thermochemischen
Speichermaterial 45 und die Zuleitung an das zweite Behältnis 42, sowie die darauf folgende Reaktion in dem zweiten Behält¬ nis 42 (Punkt B) erfolgt eine Speicherung von thermischer Energie. Die Entladung des thermochemischen Speichers 40 er- folgt bei einem verhältnismäßig höheren Druck ph, wobei Wärme dem zweiten Behältnis 42 auf einem Temperaturniveau Tm zuge¬ führt wird (Punkt C) . Das dabei entstehende freie Fluid (Gas) wird dem ersten Behältnis 41 zugeleitet. Aufgrund der in Fol- ge ablaufenden chemischen bzw. physikalischen Reaktionen in dem ersten Behältnis 41 erfolgt eine Wärmefreisetzung auf einem verhältnismäßig höherem Temperaturniveau Th (Punkt D) . Weitere detaillierte Ausführungen sind aus den Ausführungen weiter oben zu entnehmen.
FIG 2 zeigt eine schematische Darstellung einer Ausführungs¬ form eines erfindungsgemäßen Kraftwerkssystems 1, welches ne¬ ben einer als Gasturbine ausgebildeten Wärmeerzeugungseinheit 10 eine Stromerzeugungseinrichtung 30 aufweist, die über einen Wasser-Dampf-Kreislauf 20 mit einem Abhitzedampferzeuger 21 wärmetechnisch verschaltet ist. Die Stromerzeugungseinrichtung 30 kann als Dampfteil mit einer Dampfturbine zur elektrischen Energieerzeugung ausgeführt sein. Insofern han- delt es sich vorliegend um eine kombinierte Gas- und Dampf¬ turbinenkraftwerksanlage .
Bei bestimmungsgemäßem Betrieb des Kraftwerkssystems 1 wird mittels des Kompressors 11, Luft 100 angesaugt, komprimiert und der Brennkammer 12 zugeführt, um sie zusammen mit Brennstoff 110 zu verfeuern. Das bei dieser Verbrennung entstehende Abgas wird an den Expander 13 zur mechanischen Arbeitsleistung bei gleichzeitiger Entspannung weitergeführt, wobei das Abgas 120 nach Entspannung über eine geeignete Leitungs- führung dem Abhitzedampferzeuger 21 zum Wärmetausch zugeleitet wird. Der Abhitzedampferzeuger 21 ist dazu ausgebildet, die in dem Abgas 120 verbleibende Abwärme für die Dampfaufbe- reitung in dem Wasser-Dampf-Kreislauf 20 zu nutzen, um mit¬ tels der Stromerzeugungseinrichtung 30 die thermische Energie in elektrische Energie umwandeln zu können. Gleichzeitig kann eine Erzeugung von elektrischer Energie mittels der Wärmeerzeugungseinheit 10 erfolgen. Hierbei kann beispielsweise ein Generator (G) mit der als Gasturbine ausgebildeten Wärmeerzeugungseinheit 10 geeignet verschaltet sein.
Weiterhin weist das ausführungsgemäße Kraftwerkssystem 1 ei¬ nen thermochemischen Speicher 40 auf, der mit dem Wasser- Dampf-Kreislauf 20 ebenfalls wärmetechnisch verschaltet ist. Konkret ist vorliegend der thermochemische Speicher 40 in die Leitungsführung zwischen Wärmeerzeugungseinheit 10 und Was¬ ser-Dampf-Kreislauf 20 wärmetechnisch verschaltet. Insofern nimmt der thermochemische Speicher 40 auch auf die Wärmeüber- tragungsrate des Abgases 120 in dem Abhitzedampferzeuger 21 Einfluss .
An dieser Stelle soll darauf hingewiesen werden, dass eine wärmetechnische Verschaltung im Allgemeinen immer dann anzu- nehmen ist, wenn der Betrieb einer Komponente des Kraftwerksystems 1 Einfluss auf die Wärmebilanz einer weiteren Kompo¬ nente direkt oder indirekt nimmt.
Der thermochemische Speicher 40 weist ein erstes Behältnis 41 sowie ein zweites Behältnis 42 auf, welche beide miteinander fluidtechnisch verschaltet sind. Zur Unterstützung der Fluid- führung zwischen den beiden Behältnissen 41, 42 ist ein nicht weiter mit Bezugszeichen versehener Strömungsgenerator (Lüfter) vorgesehen. Ausführungsgemäß weist das erste Behältnis 41 ein thermochemisches Speichermaterial 45 auf, welches bei Übertragung von Wärme chemisch bzw. physikalisch dissoziiert. Ein insbesondere feststoffiges oder flüssiges Dissoziations¬ produkt verbleibt in dem ersten Behältnis 41 zurück, wohinge¬ gen ein gasförmiges Dissoziationsprodukt mittels der Fluid- Verbindung zum zweiten Behältnis 42 geleitet wird. Ausführungsgemäß weist das zweite Behältnis 42 kein weiteres thermochemisches Speichermaterial auf, ist doch mit einem als Kältesenke 43 arbeitenden Wärmetauscher 44 verschaltet. Alternativ kann das zweite Behältnis 42 auch mit einem thermo- chemischen Speichermaterial versehen sein. Der Wärmetauscher 44 ist dazu ausgebildet, die thermische Wärme in dem zweiten Behältnis 42 nach Überführen des Dissoziationsproduktes von dem ersten Behältnis 41 an das zweite Behältnis 42 auf einen Wärmespeicher 50 zu übertragen. Ist das entsprechend über- führte Dissoziationsprodukt beispielsweise Wasserdampf kann eine Kondensation des Wasserdampfes erfolgen, so dass in dem zweiten Behältnis 42 flüssiges Wasser angesammelt wird. Ausführungsgemäß wird das erste Behältnis 41 des thermochemi- schen Speichers 40 durch thermisch konditioniertes Abgas 120 mit entsprechender Wärme zum Laden versorgt. Um etwa das Temperaturniveau geeignet einzustellen, kann das Abgas 120 mit einer geeigneten Menge an Luft 100 vermischt werden, um etwa eine Verminderung des Temperaturniveaus des Abgases 120 zu erreichen. Mitunter hierzu weist der thermochemische Speicher 40 eine LuftZuführung 47 sowie eine Luftabführung 48 auf, über welche der thermochemische Speicher 40 entsprechend mit Abgas 120 gemischt mit Luft 100 versorgt werden kann.
An dieser Stelle sei darauf hingewiesen, dass die Luftzuführung 47 grundsätzlich auch zur ausschließlichen Versorgung mit Abgas 120 geeignet sein kann.
Der thermochemische Speicher 40 ist vorliegend fluidtechnisch zwischen die Wärmeerzeugungseinheit 10 sowie den Wasser- Dampf-Kreislauf 20 geschaltet. Hierbei kann der Abgasstrom sowohl teilweise durch den thermochemischen Speicher 40 zur Wärmeübertragung geführt werden, oder aber auch an diesem vorbei in einer parallel dazu verlaufenden Teilleitung, so dass eine Wärmeversorgung des thermochemischen Speichers 40 unterbleiben kann. Eine derartige Parallelschaltung zweier Teilleitungen erhöht die Flexibilität des Einsatzes des thermochemischen Speichers 40.
Ist nun beispielsweise die Wärmeerzeugungseinheit 10 aufgrund von geringer Stromnachfrage nicht in Betrieb, so kann der Abhitzedampferzeuger 21 weiterhin mittels der aus dem thermochemischen Speicher 40 ausgekoppelten Wärme versorgt werden, um die thermischen Gradienten in dem Wasser-Dampf-Kreislauf 20 weitgehend gering zu halten. Hierzu kann nun das zweite Behältnis 42 aus dem Wärmespeicher 50 mit thermischer Energie versorgt werden, wobei der Wärmetauscher 44 als Wärmequelle dient. Die Zuführung dieser thermischen Energie ist ausrei¬ chend, um etwa das in dem zweiten Behältnis 42 angesammelte flüssige Wasser erneut zu verdampfen, so dass der erzeugte Dampf mittels des Strömungsgenerators wieder dem ersten Be- hältnis 41 zugeführt werden kann. Durch die Rekombinationsre¬ aktion des thermochemischen Speichermaterials 45 in dem ersten Behältnis 41 mit dem Wasserdampf wird eine chemische bzw. physikalische Reaktion unterhalten, die eine hohe Wärmemenge erzeugt. Diese Wärme kann auf Luft 100 übertragen werden, welche dem thermochemischen Speicher 40 über die Luftzuführung 47 zugeleitet wird. Die Luft wird dabei durch den Lüfter 100 gefördert. Die so thermisch konditionierte Luft wird über die Luftabführung 48 aus dem thermochemischen Speicher 40 ab- geleitet und dem Abhitzedampferzeuger 21 zugeführt. Demgemäß kann nun der mit dem Abhitzedampferzeuger 21 verschaltete Wasser-Dampf-Kreislauf 20 soweit mit Wärme versorgt werden, dass eine Abkühlung des Wasser-Dampf-Kreislaufs 20 unter eine vorbestimmte Temperaturgrenze nicht erfolgt. Damit kann ge- währleistet werden, dass die thermischen Gradienten in dem
Wasser-Dampf-Kreislauf 20 verhältnismäßig gering bleiben, so dass auch ein schnelles Anfahren der Stromerzeugungseinrichtung 30, die mit dem Wasser-Dampf-Kreislauf 20 verschaltet ist, ermöglicht werden kann. Dies erhöht deutlich die Flexi- bilisierung des vorliegenden Kraftwerkssystems 1.
An dieser Stelle sei darauf hingewiesen, dass der Wasser- Dampf-Kreislauf 20 die Komponenten des Abhitzedampferzeugers 21 mit umfasst, jedoch zur verbesserten Darstellung beide be- grifflich getrennt werden.
FIG 3 zeigt eine weitere Ausführungsform des erfindungsgemä¬ ßen Kraftwerkssystems 1 in schematischer Schaltansicht, wel¬ ches sich von dem in FIG 2 gezeigten Kraftwerkssystem 1 le- diglich dahingehend unterscheidet, dass nun die dem thermo¬ chemischen Speicher 40 zugeführte Wärme nicht dem Abgas 120 der als Gasturbine ausgebildeten Wärmeerzeugungseinheit 10 entnommen wird, sondern Dampf, welcher dem Wasser-Dampf- Kreislauf 20 in einem Mitteldruckteil entnommen wird. Der vorliegend gezeigte Abhitzedampferzeuger 21 umfasst neben ei¬ nem Economizer 25, einem Verdampfer 26 auch zwei Überhitzer 27, die in dem Wasser-Dampf-Kreislauf 20 sequenziell ver¬ schaltet sind. Diese Ausführungsform des Wasser-Dampf- Kreislaufs stellt nur ein Beispiel dar, es sind beliebige weitere Ausführungsformen denkbar. Die mit dem Wasser-Dampf- Kreislauf verschaltete Stromerzeugungseinrichtung 30 ist als mit einem Generator G versehende Dampfturbine ausgebildet. Zur Kondensation des in dem Wasser-Dampf-Kreislauf 20 geführ¬ ten Dampfes dient ein Kondensator 29.
Zum Laden des thermochemischen Speichers 40 wird nun bei Betrieb des Kraftwerkssystems 1 Dampf aus dem Wasser-Dampf- Kreislauf 20 zwischen dem Verdampfer 26 und dem ersten Überhitzer 27 entnommen. Dieser so entnommene Dampf wird dem ersten Behältnis 41 zugeführt, in welchem das thermochemische Speichermaterial 45 angeordnet ist. Durch die Kondensation des Dampfes wird Wärme freigesetzt, die an das Speichermate- rial 45 abgegeben wird. Nach erfolgter Wärmeübertragung wird das Wasser erneut dem Wasser-Dampf-Kreislauf 20 im Bereich zwischen Economizer 25 und Verdampfer 26 zugeführt.
Die weiteren Funktionen des thermochemischen Speichers 40 bzw. des Kraftwerkssystems 1 entsprechen im Wesentlichen denen des in FIG 2 gezeigten thermochemischen Speichers 40 bzw. Kraftwerkssystems 1.
Die Funktionsweise der in FIG 2 und 3 gezeigten Kraftwerks- Systeme sei nochmals anhand von weiter konkretisierten Aus¬ führungsformen im Nachfolgenden im Einzelnen erklärt. Beide Ausführungsformen sind derart ausgestaltet, dass der thermo¬ chemische Speicher 40 den als Gasturbinen ausgebildeten Wärmeerzeugungseinheiten 10 nachgeschaltet ist. Im Normalbetrieb wird beispielsweise der thermochemische Speicher 40 nicht von Abgas 120 durchströmt. Soll der thermochemische Speicher 40 geladen werden, wird das Abgas 120 der Wärmeerzeugungseinheit 10 ganz bzw. teilweise durch den ersten Behälter 41 geleitet. Hierbei kommt es typischerweise zu einer Wärmeaufnahme bzw. einer geringfügigen Abkühlung des Abgases 120, etwa um ca. 50° C. Das aus dem thermochemischen Speicher 40 austretende Abgas kann weiterhin thermisch im Abhitzedampferzeuger 21 ge- nutzt werden, wodurch die Erzeugungsleistung des Kraftwerkssystems 1 nur geringfügig gesenkt wird.
Gemäß einer konkreten Ausführungsform befindet sich im ersten Behältnis 41 Calciumhydroxid, welches jedoch nicht in direk¬ tem Kontakt mit dem Abgas steht. Aufgrund des Wärmeübertrags kommt es zur Dissoziationsreaktion gemäß Gleichung VI.
Ca (OH) 2 - CaO + H20 (Gleichung VI)
Hierbei wird Wasserdampf (H20) gebildet. Dieser Wasserdampf wird in das zweite Behältnis 42 geleitet. Die Leitung kann durch Unterstützung eines Strömungsgenerators erfolgen. In dem zweiten Behältnis 42 wird die Wärme an den Wärmetauscher 44 bzw. Kältesenke 43 abgeführt, wodurch der Wasserdampf kondensiert. Das Einbringen von Wärme in das erste Behältnis 41 erfolgt bei einem Temperaturniveau von etwa 550° C (Tempera¬ turniveau des Abgases 120) vor. Die Kondensation von Wasser in dem zweiten Behältnis 42 kann unter Druck bei etwa 120° C erfolgen. Nach internen Abschätzungen der Anmelderin müssen für jede Megawattstunde thermische Energie, die in das erste Behältnis 41 durch Wärmeübertrag eingebracht werden, ca. 0,4 MWh an Wärme vom zweiten Behältnis 42 abgeführt werden. Diese Wärmeenergie kann im zweiten Behältnis 42 beispielsweise in einem als Niedertemperaturspeicher ausgebildeten Wärmespeicher 50 zwischengespeichert werden. Die Speicherung dieser Wärme ist nicht nur kostengünstig sondern es lassen sich auch große Speicherkapazitäten realisieren. Alternativ kann diese Wärme auch in den Niederdruckteil des Wasser-Dampf-Kreislaufs 20 erneut eingekoppelt werden. Dadurch können die Verluste durch das Laden des thermochemischen Speichersystems 40 vermindert werden.
Nach vollständiger Dissoziation von Calciumhydroxid in dem ersten Behältnis 41 liegt Calciumoxid vor und der thermoche- mische Speicher 40 ist vollständig geladen. Wir nun ein Gas¬ austausch zwischen den beiden Behältnissen 41 und 42 vermieden, kann die chemische Energie in dem ersten Behältnis 41 im Wesentlichen unbegrenzt lange ohne weitere Wärmeverluste ge¬ speichert werden.
Wird die als Gasturbine ausgebildete Wärmeerzeugungseinheit 10 nicht weiter betrieben, kann der Energieinhalt des thermo- chemischen Speichers 40 genutzt werden, um den Wasser-Dampf- Kreislauf 20 auf einem erhöhten Temperaturniveau, bevorzugt auf Betriebstemperatur, zu halten. Dazu wird beispielsweise, wie vorab beschrieben, Wasser in dem zweiten Behältnis 42 verdampft und dem ersten Behältnis 41 mittels eines Strö¬ mungsgenerators zugeleitet. Alternativ ist es auch möglich, das erste Behältnis 41 direkt in den Abhitzedampferzeuger 21 zu integrieren, so dass auf den Strömungsgenerator verzichtet werden könnte. Mittels der aus dem Wärmespeicher 50 abgeführ- ten Wärme kann das in dem zweiten Behältnis 42 kondensierte Wasser verdampft werden, wobei die Verdampfung in einem Temperaturbereich zwischen 60 und 150° C erfolgt. Insofern ist es auch möglich, zu diesem Zweck Wärme aus
Niedertemperaturabwärmequellen zu entnehmen (z.B. Rücklauf des Fernleitungswärmenetzes, Abwärme eines Industrieprozes¬ ses) . Bei Benutzung von weiteren Abwärmequellen kann auf einen Wärmespeicher 50 mitunter auch verzichtet werden. Nach Reaktion des in das erste Behältnis 41 überführten Wasserdampfes mit dem darin vorliegenden Calciumoxid als thermoche- misches Speichermaterial 45 kommt es zu folgender Reaktion gemäß Gleichung VII:
CaO + H20 - Ca (OH) 2 (Gleichung VII) Die Reaktion gemäß Gleichung VII ist stark exotherm, wodurch Wärme freigesetzt wird. Diese Wärme kann nun genutzt werden, um den Wasser-Dampf-Kreislauf 20 weiterhin mit Wärme zu ver¬ sorgen. Bei einer angenommenen Verdampfungstemperatur von etwa 90° C in dem zweiten Behältnis 42, wird nach internen Ab- Schätzungen der Anmelderin in den erstem Behältnis 41 Wärme auf einem Temperaturniveau von bis zu 500° C erzeugt. Für je¬ de MWh, die in dem ersten Behältnis 41 an Energie freigesetzt wird, müssen ca. 0,4 MWh an das zweite Behältnis 42 zugeführt werden. Nach vollständiger Reaktion des Calciumoxides in dem ersten Behältnis 41 ist der Entladevorgang abgeschlossen.
Gemäß einer besonderen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Betrieb des Kraftwerkssystem 1 erfolgt das
Entnehmen von thermischer Energie aus dem ersten Behältnis 41 durch Entladen des thermochemischen Speichers 40 lediglich dann, wenn die als Gasturbine ausgebildete Wärmeerzeugungs¬ einheit 10 nicht betrieben wird.
Gemäß einer weiteren konkreten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Kraftwerkssystems 1 kann in dem ersten Behältnis 41 Magnesiumhydroxid bzw. Magnesiumoxid als thermochemisches Speichermaterial 45 vorgesehen sein. Gemäß einer solchen Aus- führungsform ist es vorteilhaft, Wärme aus dem Wasser-Dampf- Kreislauf 20 auf einem geringerem Temperaturniveau zu entneh¬ men. Durch die Entnahme von Dampf im Bereich eines Mitteldruckteils eines Abhitzedampferzeugers 21 kann etwa Sattdampf in einem Temperaturbereich von 200°C bis 230°C entnommen wer- den. Durch Kondensation dieses Sattdampfes wird ausreichend Kondensationswärme frei, die in dem ersten Behältnis 41 die Zersetzung von Magnesiumhydroxid gemäß Gleichung VIII vorantreiben kann: Mg (OH) 2 - MgO + H20 (Gleichung VIII)
Nach internen Abschätzungen der Anmelderin muss demnach für jede MWh, die in dem ersten Behältnis 41 gespeichert wird, etwa 0,5 MWh vom zweiten Behältnis 42 abgeführt werden.
Zum Warmhalten des Wasser-Dampf-Kreislaufs 20 kann der mit Magnesiumoxid gefüllte thermochemische Speicher durch Zufuhr von Niedertemperaturwärme an das zweite Behältnis 42 entladen werden. Diese Wärme bewirkt wiederum die Verdampfung von da- rin kondensiertem Wasser, welches zur Unterhaltung einer exothermen Reaktion nach Gleichung IX in das erste Behältnis 41 geleitet wird. Die Reaktionstemperatur beträgt etwa 230° C. MgO + H20 ->■ Mg (OH) 2 (Gleichung IX)
Bei Entladen des thermochemischen Speichers 40 erfolgt eine Wärmeübertragung auf Druckwasser aus dem Wasser-Dampf- Kreislauf 20, wobei die Flussrichtung im Vergleich zu der in FIG 3 gezeigten Flussrichtung umgekehrt sein kann. Dies ermöglicht ein Warmhalten des Wasser-Dampf-Kreislaufs 20 in ei¬ nem Temperaturbereich von etwa bis zu 230° C. FIG 4 zeigt eine weitere Ausführungsform des erfindungsgemä¬ ßen Kraftwerkssystems 1, welches vergleichbar zu der in FIG 3 gezeigten Ausführungsform mit dem Wasser-Dampf-Kreislauf 20 fluidtechnisch verschaltet ist. Anders jedoch als in den vorhergehenden konkreten Ausführungsformen ist nicht nur das erste Behältnis 41 mit einem thermochemischen Speichermaterial 45 angefüllt, sondern auch das zweite Behältnis 42 mit ei¬ nem zweiten thermochemischen Speichermaterial 46. Eine solche Ausführungsform ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn etwa Abwärme in einem Niedertemperaturbereich vorliegt, die zum Betrieb des thermochemischen Speichers 40 im Sinne einer thermochemischen Wärmepumpe genutzt werden kann.
Beispielsweise befindet sich in dem zweiten Behältnis 42 Kup¬ ferhydroxid, welches durch Zufuhr von Wärme unter Bildung von Wasserdampf dissoziiert. In dem ersten Behältnis 41 befindet sich beispielsweise Magnesiumoxid, welches das so freigesetz¬ te Wasser erneut aufnehmen kann. Die dabei ablaufende Reakti¬ on in dem ersten Behältnis 41 ist stark exotherm, wie oben bereits ausgeführt. Insofern vermag die Ausführungsform Ab- wärme auf einem verhältnismäßig geringem Temperaturniveau zwischen 100 und 160°C, die an das zweite Behältnis 42 zuge¬ führt wird, auf ein höheres Temperaturniveau anzuheben, wel¬ ches in dem ersten Behältnis 41 etwa bei 230° C liegt. Zudem werden für jede MWh die als Abwärme an das zweite Behältnis 42 bereitgestellt wird, bis zu 1,5 MWh auf dem höheren Tempe¬ raturniveau in dem ersten Behältnis 41 freigesetzt. Nach vollständigem Ablaufen der Reaktion beim Entladen des thermochemischen Speichers 40 befindet sich in dem ersten Behältnis 41 im Wesentlichen ausschließlich Magnesiumhydroxid und in dem zweiten Behältnis 42 Kupferoxid. Zum Laden des thermochemischen Speichers 40 kann wiederum Wärme aus dem
Wasser-Dampf-Kreislauf 20 entnommen werden. Gleichzeitig ist es erforderlich, das zweite Behältnis 42 durch entsprechende Wärmeabfuhr zu kühlen. Hierbei ist eine Temperatur von etwa 30°C sinnvoll. Beim Laden kommt es im ersten Behältnis 41 aufgrund der Wärmeübertragung bei etwa 140 °C zu einer Zerset¬ zung des Magnesiumhydroxids. Das dabei freiwerdende Wasser wird nach Transport in das zweite Behältnis 42 durch die Re¬ aktion gemäß Gleichung X gebunden: CuO + H20 - Cu(OH)2 (Gleichung X)
Für jede MWh an Abwärme, die dem ersten Behältnis zugeführt wird, ist eine Wärmemenge von ca. 0,6 MWh durch die Kühlung aufzunehmen. Die dabei abgeführte Wärme kann wiederum geeig- net in einem nicht weiter gezeigten Wärmespeicher zwischengespeichert werden. Der Ladevorgang ist dann abgeschlossen, wenn das in dem ersten Behältnis 41 gebundene Wasser im Wesentlichen vollständig ausgetrieben ist. FIG 5 zeigt eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Betrieb eines vorab beschriebenen Kraftwerkssys¬ tems 1, welches folgende Schritte umfasst:
Laden des thermochemischen Speichers 40 durch Zuführen von Wärme auf einem ersten Temperaturniveau Tl an den thermochemischen Speicher 40 (erster Verfahrensschritt 200);
Zeitliches Speichern wenigstens eines Teils dieser Wärme in dem thermochemischen Speicher 40 in chemischer
und/oder physikalischer Form (zweiter Verfahrensschritt 210) ;
Entladen des thermochemischen Speichers 40 auf einem zweiten Temperaturniveau T2 und Abführen von Wärme aus diesem unter Übertragung von Wärme an den Wasser-Dampf Kreislauf 20, wobei das Entladen des thermochemischen Speichers 40 unter Zufuhr von Niedertemperaturwärme er folgt auf einem Temperaturniveau von höchstens 150°C (dritter Verfahrensschritt 220);
Weitere Ausführungsformen ergeben sich aus den Unteransprü chen .

Claims

Patentansprüche
1. Kraftwerksystem (1), umfassend eine Wärmeerzeugungseinheit (10) zur Bereitstellung von thermischer Energie, einen Wasser-Dampf-Kreislauf (20), welcher mit der Wärmeerzeugungs¬ einheit (10) wärmetechnisch verschaltet ist, eine Stromerzeu¬ gungseinrichtung (30), welche durch die in dem Wasser-Dampf- Kreislauf (20) geführte thermische Energie zur Stromerzeugung energetisiert werden kann, sowie einen thermochemischen Spei- eher (40), welcher mit dem Wasser-Dampf-Kreislauf (20) eben¬ falls wärmetechnische verschaltet ist, wobei der thermochemi- sche Speicher (40) mit einer Abgasleitung der Wärmeerzeugungseinheit (10) wärmetechnisch verschaltet ist,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, d a s s
der thermochemische Speicher (40) zwei Behältnisse (41, 42) aufweist die fluidtechnisch miteinander verschaltet sind, wo¬ bei in einem ersten Behältnis (41) ein thermochemisches Spei¬ chermaterial (45) angeordnet ist, und wobei das erste Behält¬ nis (41) durch thermisch konditioniertes Abgas (120) der Wär- meerzeugungseinheit (10) mit Wärme versorgt werden kann, und wobei das zweite Behältnis (42) mit einem Wärmetauscher (44) wärmetechnisch verschaltet ist, über welchen das zweite Be¬ hältnis (42) mit Niedertemperaturwärme mit einem Temperatur¬ niveau von höchsten 150° C versorgt werden kann.
2. Kraftwerksystem gemäß Anspruch 1,
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ein Inertgas in den Behältnissen (41, 42) vorgesehen ist, welches durch einen Strömungsgenerator zwischen den Behält- nissen (41, 42) bewegt werden kann.
3. Kraftwerksystem gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche,
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das in dem ersten Behältnis (41) angeordnete thermochemische Speichermaterial (45) ein Metall-Oxid und/oder ein Metall- Hydroxid umfasst.
4. Kraftwerksystem gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche,
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auch in dem zweiten Behältnis (42) ein thermochemisches Spei- chermaterial (46) angeordnet ist, wobei insbesondere das in dem zweiten Behältnis (42) angeordnete thermochemische Spei¬ chermaterial (45) nicht identisch ist mit dem in dem ersten Behältnis (41) angeordnete thermochemische Speichermaterial (45) .
5. Kraftwerksystem gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche,
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in dem zweiten Behältnis (42) eine Kältesenke (43) vorgesehen ist, deren Kälteleistung bei Betrieb des thermochemischen
Speichers insbesondere erlaubt, dampfförmiges Wasser zu kon¬ densieren .
6. Kraftwerksystem gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche,
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der thermochemische Speicher (40) mit dem Wasser-Dampf- Kreislauf (20) nicht nur wärmetechnisch sondern auch fluid- technisch verschaltet ist.
7. Kraftwerksystem gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche,
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der thermochemische Speicher (40) eine LuftZuführung (47) und eine Luftabführung (48) aufweist, über welche LuftZuführung (47) der thermochemische Speicher (40) mit Luft versorgt wer¬ den kann, und über welche Luftabführung (47) der thermochemische Speicher (40) thermisch konditionierte Luft abgeben kann.
8. Kraftwerksystem gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, d a s s
der thermochemische Speicher (40) zwischen den Wasser-Dampf- Kreislauf (20) und die Wärmeerzeugungseinheit (10) geschaltet ist .
9. Kraftwerksystem gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche,
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das Kraftwerksystem (1) Stellmittel (15) aufweist, welche da- zu ausgebildet sind, einen Wärmestrom ausgehend von der Wär¬ meerzeugungseinheit (10), insbesondere einen Abgasstrom der Wärmeerzeugungseinheit (10) dem thermochemischen Speicher (40) zuzuleiten, oder aber unter Umgehung des thermochemischen Speichers (40) dem Wasser-Dampf-Kreislauf (20) zuzulei- ten.
10. Kraftwerksystem gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche,
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das Kraftwerksystem (1) derart ausgebildet ist, dass ein Wär¬ mestrom ausgehend von der Wärmeerzeugungseinheit (10), insbe¬ sondere ein Abgasstrom der Wärmeerzeugungseinheit (10) dem thermochemischen Speicher (40) zugeleitet werden kann, wobei nach wärmetechnischer Wechselwirkung der Restwärmestrom bzw. entsprechend der Abgasstrom dem Wasser-Dampf-Kreislauf (20) zugeleitet wird.
11. Verfahren zum Betrieb eines Kraftwerksystems (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, welches folgende Schritte umfasst:
Laden des thermochemischen Speichers (40) durch Zuführen von Wärme auf einem ersten Temperaturniveau (Tl) an den thermochemischen Speicher (40);
Zeitliches Speichern wenigstens eines Teils dieser Wärme in dem thermochemischen Speicher (40) in chemischer Form;
Entladen des thermochemischen Speichers (40) auf einem zweiten Temperaturniveau (T2) und Abführen von Wärme aus diesem unter Übertragung von Wärme an den Wasser-Dampf- Kreislauf (20), wobei das Entladen des thermochemischen Speichers (40) unter Zufuhr von Niedertemperaturwärme er¬ folgt auf einem Temperaturniveau von höchstens 150°C.
12. Verfahren gemäß Anspruch 11,
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während des thermischen Entladens des thermochemischen Spei¬ chers (40) auf einem zweiten Temperaturniveau (T2) keine Er¬ zeugung von elektrischer Energie mittels der Stromerzeugungs- einrichtung (30) erfolgt.
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