WO2014000882A2 - Verfahren und vorrichtung zur erzeugung elektrischer energie - Google Patents

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    • 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
    • Y02E60/16—Mechanical energy storage, e.g. flywheels or pressurised fluids

Definitions

  • the invention relates to a method and apparatus for generating electrical energy according to the preamble of patent claim 1 and a corresponding device.
  • a “cryogenic liquid” is understood to mean a liquid whose boiling point is below the ambient temperature and, for example, is 200 K or lower, in particular lower than 220 K.
  • the cryogenic liquid can be under subcritical pressure during "evaporation". However, if the cryogenic liquid is brought to a superatmospheric pressure which is above the critical pressure, no true phase transition will take place
  • the "heat exchanger system” serves to cool the feed air of the
  • Air treatment plant in indirect heat exchange with one or more cold streams. It may be formed from a single or multiple parallel and / or serially connected heat exchanger sections, for example one or more plate heat exchanger blocks.
  • Methods and apparatuses which use liquid air or liquid nitrogen to regulate the network and provide control power in power grids.
  • the ambient air is liquefied in an air separation plant with integrated condenser or in a separate liquefaction plant and stored in a liquid tank designed as a cryogenic storage tank.
  • the liquefied air is removed from the store, brought to the higher pressure in a pump, then warmed to about ambient or higher. This warm high pressure air is then in a
  • Relaxation unit consisting of a turbine or multiple turbines with
  • Such methods can in principle also be carried out with a storage fluid containing 40 mol% or more of oxygen.
  • a storage fluid containing 40 mol% or more of oxygen has been excluded here, however, in order to avoid confusion with systems in which a particularly oxygen-rich fluid for
  • Heat exchanger system performed the air treatment plant, which is already available for the cooling of the feed air in the first operating mode.
  • feed air in the air compression unit is compressed and cooled in the heat exchanger system.
  • the required for the evaporation of the stored cryogenic liquid heating medium is generated.
  • Air treatment plant in which the cryogenic liquid is generated in the first operating mode, is designed as air liquefaction plant, that is serving here
  • Feed air is not primarily the production of its constituents oxygen and / or nitrogen by cryogenic decomposition, but the entire feed air - or at least its largest part - is liquefied in the first mode of operation and recovered without decomposition as cryogenic liquid.
  • mechanical energy is generated from the high-pressure storage fluid in the second operating mode by either the storage fluid itself or a fluid derived therefrom being expanded in the gas expansion unit to perform work.
  • the derived fluid may be formed, for example, by a mixture of the storage fluid with one or more other fluids, or by a reaction product of the storage fluid with one or more other substances.
  • the latter can be formed, for example, by combustion exhaust gas, if the storage fluid contains oxygen and is used to burn a fuel.
  • the invention has for its object to improve such a system in terms of its efficiency and in particular to allow a relatively simple apparatus design.
  • the compressed in the air compression unit feed air is at least partially not liquefied, but subjected as additional air another compression in at least one cold compressor and then admixed the gaseous high-pressure storage fluid. This is significantly more high-pressure gas for the relaxation in the
  • Gas expansion unit available as is obtained by the evaporation, and it can be recovered in the second mode of operation correspondingly more electrical energy.
  • Energy price is high, in addition to operate one or more cold compressors.
  • a large part of the system components are made smaller and thus cheaper. At the same time, less energy is consumed in the second operating mode.
  • the further compression of the additional air is carried out in at least two parallel-connected cold compressors.
  • this compression step is performed in a particularly efficient manner;
  • the amount of additional air can be flexibly adapted to current needs.
  • the two cold compressors may have the same inlet temperature, but preferably their inlet temperatures are different. These inflow temperatures of the cold compressors differ, for example, by at least 10 K, preferably by more than 30 K.
  • a first variant of the method according to the invention is in the second mode of operation at least a portion of the generation of electrical energy from the gaseous high pressure storage fluid in the gas turbine expander of a
  • a "gas turbine system” comprises a gas turbine (gas turbine expander) and a combustion chamber. In the gas turbine, hot gases are released from the combustion chamber to perform work.
  • the gas turbine system may also include a gas turbine driven gas turbine compressor. Some of the mechanical energy generated in the gas turbine is usually used to drive the gas turbine compressor. Another part is regularly converted to generate electrical energy in a generator.
  • At least a part of the generation of mechanical energy from the gaseous high-pressure storage fluid is carried out in this variant in the gas turbine system of the power plant, ie in an already existing in the power plant apparatus for converting pressure energy into mechanical drive energy.
  • An additional separate system for work-performing expansion of the high-pressure storage fluid may be less complicated in the context of the invention or omitted altogether.
  • the high-pressure storage fluid is then, for example, under the pressure at which it (pseudo) is evaporated, the
  • the gas expansion unit has a hot gas turbine system which has at least one heater and one hot gas turbine.
  • the generation of electrical energy from the gaseous high-pressure storage fluid is at least partially carried out as a work-performing expansion in a hot gas turbine system having at least one heater and a hot gas turbine. In this case, the generation of energy from the high pressure storage fluid takes place outside of the gas turbine system.
  • the "hot gas turbine system” may be formed in one stage with a heater and a single-stage turbine. Alternatively, it may have multiple turbine stages, preferably with reheat. In any case, it makes sense to provide another heater behind the last stage of the hot gas turbine system.
  • Hot gas turbine system is preferably coupled to one or more generators for generating electrical energy.
  • heating is meant a system for indirect heat exchange between a heating fluid and the gaseous storage fluid. This can transfer residual heat or waste heat to the storage fluid and to generate energy in the
  • Hot gas turbine system can be used.
  • the gas expansion unit has both one or more hot gas turbines and one or more gas turbine systems.
  • the high-pressure gaseous storage fluid is expanded in two steps, wherein the first step as work-performing relaxation in the hot gas turbine system and the second step in the
  • Gas turbine system can be performed, wherein the high pressure gaseous storage fluid fed to the hot gas turbine system and there to a
  • Heat exchanger system are cooled in which vaporized or pseudo-evaporated in the second mode of operation.
  • flow
  • the invention also relates to a device for generating energy according to the claims 7 or 8.
  • “automatic control device” is here a Understand device which at least the automatic control of the system accomplished during the first mode of operation and during the second mode of operation. Preferably, it is able to automatically make the transition from the first to the second operating mode and vice versa.
  • Device according to the invention can be supplemented by device features which correspond to the features of the dependent method claims.
  • FIGS. 2a and 2b show an embodiment of an air treatment plant with which the invention can be realized
  • FIGS 3a and 3b show another embodiment of an air treatment plant in the two operating modes
  • Figure 4 possible embodiments of the gas expansion unit.
  • Air treatment plant 100 a liquid tank 200 and a gas expansion unit 300.
  • FIG. 1 a shows the first operating mode (low-current phase, generally at night).
  • atmospheric air (AIR) is used as feed air in the first operating mode.
  • AIR atmospheric air
  • Air treatment plant 100 initiated.
  • a cryogenic liquid 101 is generated, which is formed for example as liquid air.
  • the air treatment plant is operated as a condenser (in particular as an air liquefier).
  • the cryogenic liquid 101 is introduced into the liquid tank 200, which is operated at a low pressure LP of less than 2 bar.
  • Figure 1 b shows the second mode of operation (peak current phase - usually during the day).
  • the air treatment plant works as an evaporator.
  • the deep cold Liquid 103 for example, liquid air
  • MP2 greater than 12 bar, for example, about 20 bar
  • Process units can be very largely merged.
  • FIGS. 2 a and 2 b show an embodiment of an air treatment system with which the invention can be implemented.
  • FIG. 2a relates to the first operating mode.
  • ambient air AIR
  • MP 4 to 8 bar, in particular 5 to 6 bar
  • the air is branched into two partial streams.
  • the cold turbine 5b drives the first after-compressor 5a via a common shaft.
  • the work-performing relaxed first part of the feed air is pressurized LP by the
  • Heat exchanger system 21 passed and warmed up here. At the warm end of the heat exchanger system 21, this air is partially released into the environment (amb). Another part 6 is used as a regeneration gas for the molecular sieve adsorber station. The regeneration gas is warmed up by steam, electric heater or natural gas firing (heat quantity Q).
  • a second part of the compressed and purified air becomes a separate one
  • the cycle compressor 1 1 passed and there from the pressure MP initially compressed to a higher pressure HP from 20 to 40 bar, cooled in an aftercooler to about ambient temperature and then in a second single-stage booster (booster) 12a on to the even higher pressure HP1 compressed from 40 to 80 bar (and then cooled again in an aftercooler to about ambient temperature).
  • boost single-stage booster
  • a portion of the high-pressure air below HP1 is then expanded to perform work in a second turbine 12b up to the pressure MP.
  • the second turbine 12b has a higher one
  • the air can be introduced directly into the second turbine 12b as shown; Alternatively, it is previously cooled slightly in the heat exchanger system 21. When working expansion, the air cools down. Then it is under the pressure MP through the heat exchanger system to the intake manifold the cycle compressor 1 1 passed.
  • a partial flow Joule-Thomson stream, sometimes called choke flow
  • choke flow is pressurized under the highest HP1 pressure
  • Heat exchanger system passed to the cold end and then in a separator 23 (22), which is operated under the pressure MP.
  • the vapor content is separated here from the liquid and passed through the heat exchanger system 21 to the intake of the cycle compressor.
  • the separated liquid is further cooled in a subcooler 24 and thereafter to the required
  • Heat exchanger system 21 sent; the liquid portion forms the "cryogenic liquid” and is introduced into the liquid tank 200.
  • the second operating mode will now be described with reference to FIG. 2b.
  • the two turbines 5b and 12b, the cycle compressor 1 1 and the Joule-Thomson stage (the two throttle valves 22 and 25, the two separators 23 and 26 and the subcooler 24) are switched off and two cold compressors 31 and 32 to the corresponding nozzles connected to the heat exchanger.
  • Liquid air (LAIR) 103 is removed from the liquid tank 200, brought in the pump 27 to a superatmospheric pressure MP2 (here> 12 bar) and in the
  • Heat exchanger system 21 of the air treatment plant to a gaseous
  • High-pressure storage fluid 104 evaporates.
  • the heat required for evaporation is provided by another, additional air flow, referred to herein as "secondary air". It is sucked in the same way as the first operating mode as feed air from the environment in which
  • Compressed air compression unit 2 to the pressure MP, precooled (3) and dried in a Molsiebadsorber station 4 and of contaminants such as C0 2 and
  • Operating mode can not be switched off, but runs permanently - both in the first and in the second operating mode.
  • Air treatment plant is used both for liquefaction (in the first operating mode) and for (pseudo) evaporation (in the second operating mode).
  • FIGS. 3a and 3b differs from the previous one in that the "cold" turbine / compressor combination 5a / 5b is connected behind the cycle compressor, between pressures HP1 and MP.
  • the heat
  • turbine / compressor combination 12a / 12b receives air directly from the air compression unit 2 and relaxes accordingly to the low pressure LP.
  • the air compression unit 2 and the air purification 3 can thus be made slightly smaller than in FIGS. 2a and 2b.
  • FIG. 4 shows possible embodiments of the gas expansion unit 300.
  • a conventional gas turbine is used for relaxation, the compressed air from the air treatment plant is fed into the gas turbine before the combustion chamber.
  • the heat of the flue gas at the outlet can be used in a heat recovery steam generator (HRSG) (4a); alternatively it is used differently, for example for preheating the compressed air from the air treatment plant (4b).
  • HRSG heat recovery steam generator
  • a rebuilt gas turbine is used for relaxation, in this gas turbine, the compressor part is removed.
  • the compressed air from the air treatment plant is fed into the combustion chamber of the rest of the gas turbine.
  • the heat of the flue gas can be used in a similar manner as in the process with the gas turbine.
  • the compressed air is first warmed up from the air treatment plant and expanded in several successively connected turbine / turbine stages, between the individual expansion stages, the air is additionally warmed.

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Description

Beschreibung
Verfahren und Vorrichtung zur Erzeugung elektrischer Energie
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und Vorrichtung zur Erzeugung von elektrischer Energie gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 sowie eine entsprechende Vorrichtung.
Unter einer "tiefkalten Flüssigkeit" wird eine Flüssigkeit verstanden, deren Siedepunkt unterhalb der Umgebungstemperatur liegt und beispielsweise bei 200 K oder niedriger, insbesondere niedriger als 220 K liegt.
Die tiefkalte Flüssigkeit kann beim "Verdampfen" unter unterkritischem Druck stehen. Falls die tiefkalte Flüssigkeit aber auf einen überatmosphärischen Druck gebracht wird, der oberhalb des kritischen Drucks liegt, findet kein echter Phasenübergang
("Verdampfen"), sondern eine so genannte "Pseudo-Verdampfung" statt.
Das "Wärmetauscher-System" dient zur Abkühlung von Einsatzluft der
Luftbehandlungsanlage in indirektem Wärmeaustausch mit einem oder mehreren kalten Strömen. Es kann aus einem einzelnen oder mehreren parallel und/oder seriell verbundenen Wärmetauscherabschnitten gebildet sein, zum Beispiel aus einem oder mehreren Plattenwärmetauscher-Blöcken.
Es sind Verfahren und Vorrichtungen bekannt, die Flüssigluft oder Flüssigstickstoff zur Netzregelung und Bereitstellung von Regelleistung in Stromnetzen verwenden. Zu Billigstromzeiten wird dabei die Umgebungsluft in einer Luftzerlegungsanlage mit integriertem Verflüssiger oder in einer separaten Verflüssigungsanlage verflüssigt und in einem als Tieftemperaturspeicher ausgebildeten Flüssigtank gespeichert. Zu Spitzenlastzeiten wird die verflüssigte Luft aus dem Speicher entnommen, in einer Pumpe auf den höheren Druck gebracht, danach bis auf etwa Umgebungstemperatur oder höher angewärmt. Diese warme Hochdruckluft wird danach in einer
Entspannungseinheit bestehend aus einer Turbine oder mehreren Turbinen mit
Zwischenerwärmung bis auf Umgebungsdruck entspannt. Die in der Turbineneinheit erzeugte mechanische Energie wird in einem Generator in elektrische Energie umgewandelt und als besonders wertvolle Energie ins elektrische Netz eingespeist. Derartige Systeme sind in WO 2007096656 und in DE 3139567 A1 beschrieben.
Solche Verfahren können, wie auch das Verfahren der Erfindung, grundsätzlich auch mit einem Speicherfluid durchgeführt werden, das 40 mol-% oder mehr Sauerstoff enthalten. Letzteres wurde hier jedoch ausgenommen, um eine Verwechslung mit Systemen zu vermeiden, bei denen ein besonders sauerstoffreiches Fluid zur
Unterstützung von Oxidationsreaktionen in ein Gasturbinen-System eingeleitet wird. Ein Verfahren der eingangs genannten Art und eine entsprechende Vorrichtung sind aus US 2009293502 A1 bekannt. Hier wird während des zweiten Betriebsmodus die tiefkalte Flüssigkeit nicht wie in einen separaten Wärmetauscher eingeleitet und beispielsweise gegen atmosphärische Luft oder heißen (Wasser-)Dampf verdampft beziehungsweise pseudo-verdampft, sondern dieser Schritt wird in dem
Wärmetauscher-System der Luftbehandlungsanlage durchgeführt, der ohnehin für die Abkühlung der Einsatzluft im ersten Betriebsmodus vorhanden ist. Auch in dem zweiten Betriebsmodus wird Einsatzluft in der Luftverdichtungseinheit verdichtet und in dem Wärmetauscher-System abgekühlt. Damit wird das für die Verdampfung der gespeicherten tiefkalten Flüssigkeit benötigte Heizmedium erzeugt. Die
Luftbehandlungsanlage, in welcher im ersten Betriebsmodus die tiefkalte Flüssigkeit erzeugt wird, ist als Luftverflüssigungsanlage ausgebildet, das heißt hier dient
Einsatzluft nicht primär der Erzeugung ihrer Bestandteile Sauerstoff und/oder Stickstoff durch Tieftemperatur-Zerlegung, sondern die gesamte Einsatzluft - oder zumindest ihr größter Teil - wird im ersten Betriebsmodus verflüssigt und ohne Zerlegung als tiefkalte Flüssigkeit gewonnen.
Im Rahmen der Erfindung wird ähnlich wie in US 2009293502 A1 in dem zweiten Betriebsmodus mechanische Energie aus dem Hochdruck-Speicherfluid erzeugt, indem entweder das Speicherfluid selbst oder ein aus ihm abgeleitetes Fluid in der Gasexpansionseinheit arbeitsleistend entspannt wird. Das abgeleitete Fluid kann beispielsweise durch ein Gemisch des Speicherfluids mit einem oder mehreren anderen Fluiden gebildet werden, oder durch ein Reaktionsprodukt des Speicherfluids mit einem oder mehreren anderen Stoffen. Letzteres kann beispielsweise durch Verbrennungsabgas gebildet werden, wenn das Speicherfluid Sauerstoff enthält und zur Verbrennung eines Brennstoffs genutzt wird. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein derartiges System hinsichtlich seiner Wirtschaftlichkeit zu verbessern und insbesondere einen relativ einfachen apparativen Aufbau zu ermöglichen.
Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst. Gemäß der Erfindung wird also in dem zweiten Betriebsmodus die in der Luftverdichtungseinheit verdichtete Einsatzluft mindestens zum Teil nicht verflüssigt, sondern als Zusatzluft einer weiteren Verdichtung in mindestens einem Kaltverdichter unterzogen und anschließend dem gasförmigen Hochdruck-Speicherfluid zugemischt. Damit steht deutlich mehr Hochdruckgas für die Entspannung in der
Gasexpansionseinheit zur Verfügung, als durch die Verdampfung gewonnen wird, und es kann im zweiten Betriebsmodus entsprechend mehr elektrische Energie gewonnen werden.
Es erscheint zwar zunächst ungünstig, im zweiten Betriebsmodus, in dem der
Energiepreis hoch ist, zusätzlich einen oder mehrere Kaltverdichter zu betreiben. Im Rahmen der Erfindung hat sich jedoch überraschenderweise herausgestellt, dass durch die zusätzliche Menge an Hochdruckgas so viel zusätzlich elektrische Energie gewonnen werden kann, dass sich insgesamt ein wirtschaftlich besonders günstiges System ergibt. Umgekehrt kann bei gleicher maximaler Energiemenge, die im zweiten Betriebsmodus erzeugt werden kann, ein großer Teil der Anlagenteile kleiner und damit kostengünstiger ausgeführt werden. Gleichzeitig wird weniger Energie im zweiten Betriebsmodus verbraucht.
Vorzugsweise wird die weitere Verdichtung der Zusatzluft in mindestens zwei parallel geschalteten Kaltverdichtern durchgeführt. Hierdurch wird dieser Verdichtungsschritt auf besonders effiziente Weise durchgeführt; außerdem kann die Menge der Zusatzluft flexibel an den aktuellen Bedarf angepasst werden. Die beiden Kaltverdichter können die gleiche Eintrittstemperatur aufweisen, vorzugsweise sind ihre Eintrittstemperaturen jedoch unterschiedlich. Diese Einstrittstemperaturen der Kaltverdichter unterscheiden sich beispielsweise um mindestens 10 K, vorzugsweise um mehr als 30 K.
In einer ersten Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens wird in dem zweiten Betriebsmodus mindestens ein Teil der Erzeugung elektrischer Energie aus dem gasförmigen Hochdruck-Speicherfluid in dem Gasturbinen-Expander eines
Gasturbinen-Systems eines Gasturbinen-Kraftwerks durchgeführt, wobei das
Speicherfluid stromabwärts des Verdampfens dem Gasturbinen-System zugeleitet wird. Das Gasturbinen-System ist dabei Teil der Gasexpansionseinheit im Sinne des Patentanspruchs 1. Diese Nutzung des Gasturbinen-Systems selbst für die Gewinnung von Energie aus dem Hochdruck-Speicherfluid wird in den Patentansprüchen 5 und 6 sowie in der älteren deutschen Patentanmeldung 102011 12101 1 und den dazu korrespondierenden Patentanmeldungen näher beschrieben. Ein "Gasturbinen-System" weist eine Gasturbine (Gasturbinen-Expander) und eine Brennkammer auf. In der Gasturbine werden heiße Gase aus der Brennkammer arbeitsleistend entspannt. Das Gasturbinen-System kann außerdem einen mit der Gasturbine angetriebenen Gasturbinen-Verdichter aufweisen. Ein Teil der in der Gasturbine erzeugten mechanischen Energie wird üblicherweise zum Antrieb des Gasturbinen-Verdichters eingesetzt. Ein weiterer Teil wird regelmäßig zur Erzeugung elektrischer Energie in einem Generator umgesetzt.
Mindestens ein Teil der Erzeugung mechanischer Energie aus dem gasförmigen Hochdruck-Speicherfluid wird bei dieser Variante in dem Gasturbinen-System des Kraftwerks vorgenommen, also in einem im Kraftwerk ohnehin vorhandenen Apparat zur Umsetzung von Druckenergie in mechanische Antriebsenergie. Ein zusätzliches separates System zur arbeitsleistenden Entspannung des Hochdruck-Speicherfluids kann im Rahmen der Erfindung weniger aufwändig ausgebildet sein oder ganz entfallen. Im einfachsten Fall kann bei der Erfindung die gesamte Erzeugung von mechanischer Energie aus dem gasförmigen Hochdruck-Speicherfluid in dem
Gasturbinen-System vorgenommen werden. Das Hochdruck-Speicherfluid wird dann zum Beispiel unter dem Druck, unter dem es (pseudo-)verdampft wird, dem
Gasturbinen-System zugeleitet. In einer zweiten Variante weist die Gasexpansionseinheit ein Heißgasturbinen-System auf, das mindestens einen Erhitzer und eine Heißgasturbine aufweist. Dabei wird die Erzeugung elektrischer Energie aus dem gasförmigen Hochdruck-Speicherfluid mindestens teilweise als arbeitsleistende Entspannung in einem Heißgasturbinen- System durchgeführt, das mindestens einen Erhitzer und eine Heißgasturbine aufweist. Hierbei findet die Erzeugung von Energie aus dem Hochdruck-Speicherfluid außerhalb des Gasturbinen-Systems statt.
Das "Heißgasturbinen-System" kann einstufig mit einem Erhitzer und einer einstufigen Turbine ausgebildet sein. Alternativ kann es mehrere Turbinen-Stufen, vorzugsweise mit Zwischenerhitzung, aufweisen. In jedem Fall ist es sinnvoll, hinter der letzen Stufe des Heißgasturbinen-Systems einen weiteren Erhitzer vorzusehen. Das
Heißgasturbinen-System ist vorzugsweise mit einem oder mehreren Generatoren zur Erzeugung elektrischer Energie gekoppelt.
Unter "Erhitzer" wird hier ein System zum indirekten Wärmeaustausch zwischen einem Heizfluid und dem gasförmigen Speicherfluid verstanden. Hiermit kann Restwärme oder Abwärme auf das Speicherfluid übertragen und zur Energieerzeugung im
Heißgasturbinen-System genutzt werden.
Die beiden Varianten der Erfindung können auch kombiniert werden, indem die Gasexpansionseinheit sowohl eine oder mehrere Heißgas-Turbinen als auch ein oder mehrere Gasturbinen-Systeme aufweist. Dabei wird das gasförmige Hochdruck- Speicherfluid in zwei Schritten entspannt, wobei der erste Schritt als arbeitsleistende Entspannung in dem Heißgasturbinen-System und der zweite Schritt in dem
Gasturbinen-System durchgeführt werden, wobei das gasförmige Hochdruck- Speicherfluid dem Heißgasturbinen-System zugeleitet und dort auf einen
Zwischendruck entspannt wird, und dem Heißgasturbinen-System ein gasförmiges Zwischendruck-Speicherfluid entnommen, das schließlich dem Gasturbinen-System zugeleitet wird.
Vorzugsweise wird im ersten Betriebsmodus mindestens ein Teil der verdichteten Einsatzluft aus der Luftverdichtungseinheit in denselben Passagen des
Wärmetauscher-Systems abgekühlt werden, in denen im zweiten Betriebsmodus verdampft beziehungsweise pseudo-verdampft wird. Insbesondere strömen
mindestens 50 mol-%, insbesondere mindestens 80 mol-% oder mindestens 90 mol-% der Einsatzluft im ersten Betriebsmodus durch diese gemeinsam genutzten Passagen.
Die Erfindung betrifft außerdem eine Vorrichtung zur Erzeugung von Energie gemäß den Patentansprüchen 7 oder 8. Unter "automatischer Regeleinrichtung" ist hier eine Vorrichtung zu verstehen, welche zumindest die automatische Regelung des Systems während des ersten Betriebsmodus und während des zweiten Betriebsmodus bewerkstelligt. Vorzugsweise ist sie dazu in der Lage, den Übergang vom ersten in den zweiten Betriebsmodus und umgekehrt automatisch durchzuführen. Die
erfindungsgemäße Vorrichtung kann durch Vorrichtungsmerkmale ergänzt werden, die den Merkmalen der abhängigen Verfahrensansprüche entsprechen.
Die Erfindung sowie weitere Einzelheiten der Erfindung werden im Folgenden anhand von in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Hierbei zeigen:
Figuren 1a und 1 b das Grundprinzip der Erfindung im ersten beziehungsweise zweiten Betriebsmodus,
Figuren 2a und 2b eine Ausführungsform für eine Luftbehandlungsanlage, mit der die Erfindung realisiert werden kann,
Figuren 3a und 3b eine weitere Ausführungsform einer Luftbehandlungsanlage in den beiden Betriebsmodi und
Figur 4 mögliche Ausführungsformen der Gasexpansionseinheit.
Die Gesamtanlage der Figuren 1 a und 1 b besteht aus drei Einheiten, einer
Luftbehandlungsanlage 100, einem Flüssigtank 200 und einer Gasexpansionseinheit 300.
In Figur 1a ist der erste Betriebsmodus (Billigstromphase - in der Regel nachts) dargestellt. Hierbei wird atmosphärische Luft (AIR) als Einsatzluft in die
Luftbehandlungsanlage 100 eingeleitet. In der Luftbehandlungsanlage wird eine tiefkalte Flüssigkeit 101 erzeugt, die beispielsweise als Flüssigluft ausgebildet ist. Die Luftbehandlungsanlage wird als Verflüssiger (insbesondere als Luftverflüssiger) betrieben. Die tiefkalte Flüssigkeit 101 wird in den Flüssigtank 200 eingeleitet, der unter einem niedrigen Druck LP von weniger als 2 bar betrieben wird. Der
Energieverbrauch der Luftbehandlungsanlage im ersten Betriebsmodus wird als P1 bezeichnet.
Figur 1 b zeigt den zweiten Betriebsmodus (Spitzenstrom-Phase - in der Regel tagsüber). Hier funktioniert die Luftbehandlungsanlage als Verdampfer. Die tiefkalte Flüssigkeit 103 (zum Beispiel Flüssigluft) wird aus dem Flüssigtank 200 entnommen, in einer Pumpe auf einen erhöhten Druck MP2 (größer als 12 bar, beispielsweise ca. 20 bar) gebracht, in der Luftbehandlungsanlage verdampft und bis auf etwa
Umgebungstemperatur angewärmt. Für die (Pseudo-)Verdampfung und die
Anwärmung werden dabei dieselben Passagen des Wärmetauscher-Systems 21 genutzt, die im ersten Betriebsmodus zur Abkühlung der zu verflüssigten Einsatzluft dienen. Die für die Verdampfung erforderliche Wärme wird durch einen zusätzlichen Luftstrom 102 an Einsatzluft geliefert, welcher aus der Umgebung angesaugt wird. Mit Hilfe des zusätzlichen Luftstroms kann nicht nur die Flüssigluft verdampft und angewärmt werden, sondern der zusätzliche Luftstrom kann bis auf den Druck MP2 komprimiert werden (Details siehe unten bei Figur 2b). Dadurch steht entsprechend mehr Hochdruckgas als Energielieferant zur Verfügung, wobei ein Energieaufwand P2 notwendig ist und die Kälte der verdampfenden Flüssigkeit genutzt wird. Das verdampfte Hochdruck-Speicherfluid und die auf Druck gebrachte zusätzliche Luft werden gemeinsam über Leitung 104 zur Gasexpansionseinheit 300 geleitet. Die Leistung P2 im zweiten Betriebsmodus beträgt beispielsweise 20 bis 70 %, vorzugsweise 40 bis 60 % der Leistung P1 im ersten Betriebsmodus.
Durch diese Verschaltung wird erreicht, dass die Druckluftmenge, die zur Entspannung geleitet wird, deutlich größer ist als die Menge, die aus dem Flüssigluftspeicher 200 entnommen wird, da die zusätzliche Luft dieser Menge beigemischt wird. Dadurch wird deutlich mehr Luft in die Gasexpansionseinheit 300 geleitet und die Leistung P3, die dort erzeugt wird, deutlich größer wird (P3»P2). Je nach dem wie die Druckluft- Entspannungseinheit gestaltet ist (siehe Fig.4) kann P3 Werte erreichen, die vergleichbar mit P1 sind.
Normalerweise werden die Herstellung der tiefkalten Flüssigkeit und die Verdampfung der tiefkalten Flüssigkeit in zwei unterschiedlichen Prozesseinheiten durchgeführt. Bei der Erfindung ist es gelungen, das Verfahren so zu gestalten, dass diese
Prozesseinheiten sehr weitgehend zusammengelegt werden können.
In den Figuren 2a und 2b ist eine Ausführungsform für eine Luftbehandlungsanlage dargestellt, mit der die Erfindung realisiert werden kann. Figur 2a betrifft den ersten Betriebsmodus. Hier wird Umgebungsluft (AIR) von einer Luftverdichtungseinheit 2 angesaugt und bis auf einen Druck MP (4 bis 8 bar, insbesondere 5 bis 6 bar) verdichtet, in einer Vorkühlungseinrichtung 3 gekühlt und in einer Molsiebadsorber-Station 4 getrocknet und von Kontaminationen wie C02 und Kohlenwasserstoffen gereinigt. Danach wird die Luft in zwei Teilströme verzweigt.
Ein erster Teil der verdichteten und gereinigten Luft wird in einem ersten einstufigen Nachverdichter (Booster) 5a weiter auf einen Druck MP1 > MP2 verdichtet (MP1 = 6 bis 15 bar), in einem Nachkühler bis auf etwa Umgebungstemperatur gekühlt und danach im Wärmetauscher-System 21 auf eine Zwischentemperatur von 140 bis 180 K abgekühlt, in einer ersten, kalten Turbine 5b auf einen Niederdruck LP (< 2 bar, insbesondere etwa 1 ,4 bar) arbeitsleistend entspannt. Die kalte Turbine 5b treibt über eine gemeinsame Welle den ersten Nachverdichter 5a an. Der arbeitsleistend entspannte erste Teil der Einsatzluft wird unter dem Druck LP durch das
Wärmetauscher-System 21 geleitet und hier angewärmt. Am warmen Ende des Wärmetauscher-Systems 21 wird diese Luft teilweise in die Umgebung (amb) abgegeben. Ein anderer Teil 6 wird als Regeneriergas für die Molsiebadsorber-Station verwendet. Das Regeneriergas wird durch Dampf, Elektroerhitzer oder Erdgasfeuerung angewärmt (Wärmemenge Q).
Ein zweiter Teil der verdichteten und gereinigten Luft wird zu einem separaten
Verdichter, dem Kreislaufverdichter 1 1 geleitet und dort vom Druck MP aus zunächst bis auf einen höheren Druck HP von 20 bis 40 bar verdichtet, in einem Nachkühler bis auf etwa Umgebungstemperatur gekühlt und danach in einem zweiten einstufigen Nachverdichter (Booster) 12a weiter bis auf den noch höheren Druck HP1 von 40 bis 80 bar verdichtet (und anschließend wiederum in einem Nachkühler bis auf etwa Umgebungstemperatur gekühlt).
Ein Teil der Hochdruckluft unter HP1 wird danach in einer zweiten Turbine 12b bis auf den Druck MP arbeitsleistend entspannt. Die zweite Turbine 12b hat eine höhere
Eintrittstemperatur als die erste Turbine und wird daher auch als die "warme" Turbine bezeichnet. Die Luft kann wie dargestellt unmittelbar in die zweite Turbine 12b eingeleitet werden; alternativ wird sie vorher im Wärmetauscher-System 21 etwas abgekühlt. Bei der arbeitsleistenden Entspannung kühlt sich die Luft ab. Anschließend wird sie unter dem Druck MP durch das Wärmetauscher-System zum Ansaugstutzen des Kreislaufverdichters 1 1 geleitet. Ein Teilstrom (Joule-Thomson-Strom, manchmal auch Drosselstrom genannt) wird unter dem höchsten Druck HP1 durch das
Wärmetauscher-System bis zum kalten Ende geleitet und anschließend in einen Separator 23 entspannt (22), der unter dem Druck MP betrieben wird. Der Dampfanteil wird hier von der Flüssigkeit abgetrennt und durch das Wärmetauscher-System 21 zum Ansaugstutzen des Kreislaufverdichters geleitet. Die abgetrennte Flüssigkeit wird in einem Unterkühler 24 weiter gekühlt und danach bis auf den erforderlichen
Niederdruck in den Separator 26 entspannt (25). Der Dampfanteil wird hier ebenfalls abgetrennt und zusammen mit der Luft aus der kalten Turbine 5b durch das
Wärmetauscher-System 21 geschickt; der Flüssiganteil bildet die "tiefkalte Flüssigkeit" und wird in den Flüssigtank 200 eingeleitet.
Im ersten Betriebsmodus wird Energie P1 = Pi a + P1 b in Form der Antriebsleistungen Pi a für die Luftverdichtungseinheit und Pl b für den Kreislaufverdichter zugeführt, sowie die Wärmemenge Q für die Regeneriergaserhitzung. Abgeführt wird keine
Energie (außer über die Nachkühler der Verdichter), sondern Energie wird in Form der tiefkalten Flüssigluft im Flüssigtank 200 gespeichert.
Anhand von Figur 2b wird nun der zweite Betriebsmodus beschrieben. Hier werden die beiden Turbinen 5b und 12b, der Kreislaufverdichter 1 1 und die Joule-Thomson- Stufe (die zwei Drosselventile 22 und 25, die zwei Separatoren 23 und 26 und der Unterkühler 24) abgeschaltet und zwei Kaltverdichter 31 und 32 an die entsprechenden Stutzen des Wärmetauschers angeschlossen. Flüssigluft (LAIR) 103 wird aus dem Flüssigtank 200 entnommen, in der Pumpe 27 auf einen überatmosphärischen Druck MP2 (hier > 12 bar) gebracht und im
Wärmetauscher-System 21 der Luftbehandlungsanlage zu einem gasförmigen
Hochdruck-Speicherfluid 104 verdampft. Die für die Verdampfung erforderliche Wärme wird durch einen anderen, zusätzlichen Luftstrom geliefert, der hier als "Zusatzluft" bezeichnet wird. Er wird analog zum ersten Betriebsmodus als Einsatzluft aus der Umgebung angesaugt, in der
Luftverdichtungseinheit 2 auf den Druck MP verdichtet, vorgekühlt (3) und in einer Molsiebadsorber-Station 4 getrocknet und von Kontaminationen wie C02 und
Kohlenwasserstoffen gereinigt. Danach wird diese Zusatzluft in zwei Teilströme verzweigt. Beide Teilströme werden im Wärmetauscher-System durch die
verdampfende Flüssigluft abgekühlt, ein erster Teilstrom bis auf eine
Zwischentemperatur von 140 bis 180 K, die andere bis auf 90 bis 120 K, und in den Kaltverdichtern 31 beziehungsweise 32 weiter auf den Druck MP2 komprimiert. Die Luft aus dem kälteren Kaltkompressor 31 wird durch das Wärmetauscher-System geleitet, bevor sie mit der verdampften Flüssigluft und der Druckluft aus dem wärmeren Kaltkompressor 32 gemischt wird. Das Luftgemisch unter dem Druck MP2 wird zur Gasexpansionseinheit 300 geleitet. Die Luftverdichtungseinheit 2 muss bei dieser Verfahrensführung auch im zweiten
Betriebsmodus nicht abgeschaltet werden, sondern läuft permanent - sowohl im ersten als auch im zweiten Betriebsmodus. Das Wärmetauscher-System 21 der
Luftbehandlungsanlage wird sowohl für die Verflüssigung (im ersten Betriebsmodus) als auch für die (Pseudo-)Verdampfung (im zweiten Betriebsmodus) genutzt.
Im zweiten Betriebsmodus wird Energie P2 = P2a + P2b + P2c in Form der
Antriebsleistungen P2a für die Luftverdichtungseinheit und P2b beziehungsweise P2c für die beiden Kaltverdichter 31 , 32 zugeführt, sowie die Wärmemenge Q für die Regeneriergaserhitzung. Abgeführt wird Energie (außer über die Nachkühler der Verdichter) in Form des Druckluftstroms unter dem Druck MP2 zur
Gasexpansionseinheit 300.
Die Schaltung in den Figuren 3a und 3b unterscheidet sich von der vorhergehenden dadurch, dass die "kalte" Turbinen-Nachverdichter-Kombination 5a/5b hinter den Kreislaufverdichter geschaltet ist, zwischen Drücken HP1 und MP. Die "warme"
Turbinen-Nachverdichter-Kombination 12a/12b bekommt dagegen Luft direkt aus der Luftverdichtungseinheit 2 und entspannt entsprechend auf den Niederdruck LP. Die Luftverdichtungseinheit 2 und die Luftreinigung 3 können damit etwas kleiner als in den Figuren 2a und 2b ausgeführt werden.
In der Figur 4 sind mögliche Ausführungen der Gasexpansionseinheit 300 dargestellt. In den Ausführungen 4a und 4b wird eine konventionelle Gasturbine zur Entspannung verwendet, die Druckluft aus der Luftbehandlungsanlage wird vor der Brennkammer in die Gasturbine eingespeist. Die Wärme des Rauchgases am Austritt kann in einem Abhitzekessel (HRSG - Heat Recovery Steam Generator) verwendet werden (4a); alternativ wird sie anders verwendet, zum Beispiel zur Vorwärmung der Druckluft aus der Luftbehandlungsanlage (4b).
In der Ausführungen 4c und 4d wird eine umgebaute Gasturbine zur Entspannung verwendet, bei dieser Gasturbine wird der Kompressorteil entfernt. Die Druckluft aus der Luftbehandlungsanlage wird in die Brennkammer der restlichen Gasturbine eingespeist. Die Wärme des Rauchgases kann ähnlich wie im Verfahren mit der Gasturbine verwendet werden.. In der Ausführung 4e wird die Druckluft aus der Luftbehandlungsanlage zuerst angewärmt und in mehreren nacheinander geschalteten Turbinen/Turbinenstufen entspannt, zwischen den einzelnen Entspannungsstufen wird die Luft zusätzlich angewärmt. Dies stellt ein Ausführungsbeispiel für eine Gasexpansionseinheit dar, die ein Heißgasturbinen-System aufweist, das mindestens einen Erhitzer und eine Heißgasturbine aufweist - hier sind es jeweils zwei Erhitzer und Heißgasturbinen; alternativ kann das Heißgasturbinen-System auch mehr als zwei Stufen aufweisen.
Die Ausführungsvarianten 4a und 4b sowie die 4c und 4d können miteinander kombiniert werden.

Claims

Patentansprüche
Verfahren zur Erzeugung elektrischer Energie in einem kombinierten System aus Kraftwerk und Luftbehandlungsanlage, wobei das Kraftwerk eine erste
Gasexpansionseinheit (300) aufweist, die mit einem Generator zur Erzeugung elektrischer Energie verbunden ist, und die Luftbehandlungsanlage als
Luftverflüssigungsanlage ausgebildet ist und eine Luftverdichtungseinheit (2), ein Wärmetauscher-System (21) und einen Flüssigtank (200) aufweist, und wobei in einem ersten Betriebsmodus
- in der Luftbehandlungsanlage
- Einsatzluft in der Luftverdichtungseinheit (2) verdichtet und in dem
Wärmetauscher-System (21) abgekühlt wird,
- aus der verdichteten und abgekühlten Einsatzluft ein Speicherfluid hergestellt wird, das weniger als 40 mol-% Sauerstoff enthält,
- das Speicherfluid als tiefkalte Flüssigkeit (101) in dem Flüssigtank (200) gespeichert wird, wobei die tiefkalte Flüssigkeit (3) durch verflüssigte Luft gebildet wird,
und in einem zweiten Betriebsmodus
- tiefkalte Flüssigkeit (103) aus dem Flüssigtank (200) entnommen und unter überatmosphärischem Druck verdampft oder pseudo-verdampft wird, und das dabei erzeugten gasförmigen Hochdruck-Speicherfluid (104) in der
Gasexpansionseinheit (300) entspannt wird,
- wobei in dem zweiten Betriebsmodus die (Pseudo-)Verdampfung der tiefkalten
Flüssigkeit in dem Wärmetauscher-System (21) der Luftbehandlungsanlage durchgeführt wird und
- auch im zweiten Betriebsmodus Einsatzluft in der Luftverdichtungseinheit (2) verdichtet wird,
dadurch gekennzeichnet, dass in dem zweiten Betriebsmodus verdichtete Einsatzluft aus der Luftverdichtungseinheit (2) als Zusatzluft einer weiteren Verdichtung in mindestens einem Kaltverdichter (31 , 32) unterzogen und anschließend dem gasförmigen Hochdruck-Speicherfluid (104) zugemischt wird. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die weitere
Verdichtung der Zusatzluft in mindestens zwei parallel geschalteten
Kaltverdichtern (31 , 32) durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Kraftwerk ein Gasturbinen-System mit Brennkammer, Gasturbinen-Expander und Generator aufweist und mindestens ein Teil des gasförmigen Hochdruck- Speicherfluids (104) in dem Gasturbinen-Expander eines Gasturbinen-Systems entspannt wird, wobei das Speicherfluid (104) stromabwärts des
(Pseudo-)Verdampfens (21) dem Gasturbinen-System zugeleitet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Gasexpansionseinheit ein Heißgasturbinen-System aufweist, das mindestens einen Erhitzer und eine Heißgasturbine aufweist.
Verfahren nach Anspruch 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, dass das gasförmige Hochdruck-Speicherfluid in zwei Schritten entspannt wird, wobei der erste Schritt als arbeitsleistende Entspannung in dem Heißgasturbinen-System und der zweite Schritt in dem Gasturbinen-System durchgeführt werden, wobei das gasförmige Hochdruck-Speicherfluid dem Heißgasturbinen-System zugeleitet und dort auf einen Zwischendruck entspannt wird, und dem Heißgasturbinen-System ein gasförmiges Zwischendruck-Speicherfluid entnommen, das schließlich dem Gasturbinen-System zugeleitet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass im ersten Betriebsmodus mindestens ein Teil der verdichteten Einsatzluft aus der Luftverdichtungseinheit (2) in denselben Passagen des Wärmetauscher-Systems (21) abgekühlt werden, in denen im zweiten Betriebsmodus verdampft
beziehungsweise pseudo-verdampft wird.
Vorrichtung zur Erzeugung elektrischer Energie mit einem kombinierten System aus Kraftwerk und Luftbehandlungsanlage, wobei das Kraftwerk eine erste Gasexpansionseinheit (300) aufweist, die mit einem Generator zur Erzeugung elektrischer Energie verbunden ist, und die Luftbehandlungsanlage als
Luftverflüssigungsanlage ausgebildet ist und eine Luftverdichtungseinheit (2), ein Wärmetauscher-System (21) und einen Flüssigtank (200) aufweist, wobei die Vorrichtung eine automatische Regeleinrichtung sowie Rohrleitungen und
Steuerelemente aufweist, wobei die Regeleinrichtung so ausgebildet ist, dass die Vorrichtung in einem ersten und in einem zweiten Betriebsmodus gefahren werden kann, wobei
in einem ersten Betriebsmodus
- in der Luftbehandlungsanlage
- Einsatzluft in der Luftverdichtungseinheit (2) verdichtet und in dem
Wärmetauscher-System (21) abgekühlt wird,
- aus der verdichteten und abgekühlten Einsatzluft ein Speicherfluid hergestellt wird, das weniger als 40 mol-% Sauerstoff enthält,
- das Speicherfluid als tiefkalte Flüssigkeit (101) in dem Flüssigtank (200)
gespeichert wird, wobei die tiefkalte Flüssigkeit (3) durch verflüssigte Luft gebildet wird,
und in einem zweiten Betriebsmodus
- tiefkalte Flüssigkeit (103) aus dem Flüssigtank (200) entnommen und unter überatmosphärischem Druck verdampft oder pseudo-verdampft wird, und das dabei erzeugten gasförmigen Hochdruck-Speicherfluid (104) in der
Gasexpansionseinheit (300) entspannt wird,
- wobei in dem zweiten Betriebsmodus die (Pseudo-)Verdampfung der tiefkalten Flüssigkeit in dem Wärmetauscher-System (21) der Luftbehandlungsanlage durchgeführt wird und
- auch im zweiten Betriebsmodus Einsatzluft in der Luftverdichtungseinheit (2) verdichtet wird,
dadurch gekennzeichnet, dass die Regeleinrichtung so ausgebildet ist, dass in dem zweiten Betriebsmodus verdichtete Einsatzluft aus der
Luftverdichtungseinheit (2) als Zusatzluft einer weiteren Verdichtung in mindestens einem Kaltverdichter (31 , 32) unterzogen und anschließend dem gasförmigen Hochdruck-Speicherfluid (104) zugemischt wird.
Vorrichtung nach Anspruch 7, gekennzeichnet durch mindestens zwei parallel geschaltete Kaltverdichter (31 , 32) zur Durchführung der weiteren Verdichtung der Zusatzluft.
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