DE1051572B

DE1051572B - Verfahren zum UEbertragen von Nachtueberschussenergie von Kernenergie-Anlagen mit Gasturbinen auf den Tag

Info

Publication number: DE1051572B
Application number: DEM34877A
Authority: DE
Inventors: E H Dr Fritz Marguerre Dr-Ing; Dr Ferdinand Marguerre
Original assignee: E H DR FRITZ MARGUERRE DR ING
Current assignee: E H DR FRITZ MARGUERRE DR ING
Priority date: 1957-04-26
Filing date: 1957-07-24
Publication date: 1959-02-26

Description

DEUTSCHES

In der Hauptpatentanmeldung ist ein Verfahren beschrieben, um bei einer mit einem Kernenergie-Reaktor als Wärmequelle betriebenen geschlossenen Gasturbinenanlage mit Hilfe der thermodynamischen Speicherung mit Wasserdampf als Treibmittel überschüssige Nachtenergie in Tagesenergie zu verwandeln; hierbei wird die nach dem Carnot-Prinzip anfallende Abwärme der Gasturbine, die — verglichen mit einem Danipfprozeß — bei hoher Temperatur anfällt, mit ausgenutzt; sie ergibt einen hohen Wirkungsgrad der Umwandlung, der über 1 liegen kann. Hierzu sei zunächst noch bemerkt, daß, da die im Kühlwasser enthaltene Abwärme zur Krafterzeugung dienen soll, man ein Interesse an einer hohen Kühlwasserendtemperatur hat. Man wird daher die in der Abbildung dargestellten Kühler beim Kompressor 5 und 5' größer als üblich bemessen, um sich — mit weniger Kühlwasser — statt der üblichen 70 bis 75° C der Temperatur von 100° C zu nähern, ohne den Wirkungsgrad der Gasturbine zu verschlechtern: das wirtschaftliche Optimum der Gesamtanlage ist jeweils zu suchen.

Es liegt nun in der Natur des Verfahrens, daß man nur einen Teil der Abwärme aus dem Unterspeicher zum »Hinaufpumpen« auf ein höheres Niveau entnehmen wird, weil auch bei mehrstufigein Ansaugen aus dem Speicher (über Entspannungsgefäße) der Kompressor wegen zu großen Ansaugvolumens und Kompressionsverhältnisses — bei immer kleiner werdendem Unterschied zwischen Kompressions- und Expansionsgefälle — unwirtschaftlich werden kann. Kühlt man aus solchen Erwägungen heraus z. B. bei der Ladeperiode den Speicher nur von 100 auf 80° C, und hat man das Kühlwasser am Luftkompressor von 15 auf 100° C aufgewärmt, so hat man nur ²%äStel der Abwärme nutzbar gemacht. Man kann aber die Restwärme noch zum Teil ausnutzen, ohne den Kompressor und den Oberspeicher zu verteuern, und zwar unter einfacher Vergrößerung der Dampfturbine, die noch zusätzliche Einlasse im Tiefdruckgebiet erhält: man kühlt so über Entspannungsgefäße, die zu diesen Turbineneinlässen führen, den Unterspeicher (nach obigem Beispiel etwa von 80 auf 65° C) weiter ab. Auch diesen Vorgang wird man entsprechend dem Grundgedanken auf die Zeit hoher Tagesbelastungen konzentrieren; da die Speicherkosten hierfür sehr gering sind, kommen nicht nur Spitzenzeiten in Frage.

Hat man sehr viel Überschußenergie, und zwar nur für ganz kurze Zeiten, für die sich eine Vergrößerung von Kompressor (und Oberspeicher) nicht lohnt, so kann man einen gewissen Effekt im hier angestrebten Sinne dadurch erreichen, daß man bei der Gasturbine die Temperatur des Kühlwassers während der Über-Verfahren zum übertragen

von Nachtübersctmßenergie

von Kernenergie -Anlagen

mit Gasturbinen auf den Tag

Zusatz zur Patentanmeldung M34000 Ia/14h
(Auslegeschrift 1 044 113)

Anmelder:

Dr.-Ing. e. h. Dr. Fritz Marguerre,
Baden-Baden, Bernhardstr. 44

Dr.-Ing. e. h. Dr. Fritz Marguerre, Baden-Baden,

und Dr. Ferdinand Marguerre, Heidelberg,

sind als Erfinder genannt worden

schußzeit weiter ansteigen läßt (z. B. auf 120° C), wodurch der Gesamtprozeß sich verschlechtert sowie die Überschußenergie abnimmt, aber nunmehr — in einem Sonderspeicher gesammeltes — Wasser von 120'° C zur Verwendung zur Tagesspitzenzeit, wie eben beschrieben, zur Verfügung steht. Der Wirkungsgrad dieser »Umwandlung« ist allerdings schlecht, weil man den ganzen Prozeß der Gasturbine verschlechtert. Trotzdem kann bei den geringen Brennstoffkosten von Atomanlagen ein solches Verfahren für kurze Dauer wirtschaftlich sinnvoll sein, insbesondere in Kombination mit der Hauptidee: denn es bleibt zu beachten, daß hierbei zwar der BrennstofE-preis wegen des schlechten Wirkungsgrades hoch wird, der andere bei Spitzenstrom meist ausschlaggebende Kostenfaktor, die Anlagekosten, jedoch sehr niedrig werden, da nur eine Turbinenvergrößerung und die sehr niedrigen Kosten von drucklosen Speichern in Frage kommen.

Man hat es in der Hand, je nach den gewählten Temperaturgrenzen, sich der anfallenden Überschußenergie und den Tagesbedürfnissen anzupassen. Hat man mit wenig Überschußenergie zu rechnen, so wird man das Kompressorgefälle klein wählen, d. h., das aus dem Gasturbinenprozeß anfallende Kühlwasser nur wenig abkühlen und den Dampf entsprechend schwach komprimieren und viel von der Restwärme des Kühlwassers direkt am Tage, wie beschrieben,

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ausnutzen und kommt dabei auf Wirkungsgrade von über 1.

Bei großer Überschußmenge wird man den Unter speicher mit mehrstufiger Ansaugung stärker abkühlen und den Dampf höher komprimieren, wodurch man mehr Tagesenergie gewinnt; hier kann aber die Verteuerung der Oberspeicher durch erhöhten Druck eine wirtschaftliche Grenze setzen. Der Umwandlungswirkungsgrad, der bei kleinem Gefälle über 100°/» liegt, wird mit zunehmendem Gefälle kleiner, bleibt aber immer sehr hoch, weil das Expansionsgefälle größer bleibt als dasjenige der Kompression. Ist mit sehr viel Überschußenergie zu rechnen, so daß es auf den Wirkungsgrad der Umwandlung von Nacht- in Tagesenergie weniger ankommt, so wird man die Abwärmetemperatur der Gasturbine unter Energieverlust erhöhen, wobei jede Kombination mit dem Wasserdampfkompressor möglich ist. Stets wird aber eine gewisse Menge Tagesenergie gewonnen.

Will man viel Übersohußenergie mit gutem Wirkungsgrad aufspeichern, so· kann man, wie erwähnt, bei Druckerhöhung der Oberspeicher, je nach der Form des Belastungsdiagramms, an eine wirtschaftliche Grenze stoßen. Man kann aber die Kapazität der Speicher in kWh erhöhen, indem man entweder überhitzungsspeicher — unter Verminderung oder Aufhebung der Kühlung des Wasserdampfkompressors — oder einen separaten Überhitzer einbaut. Diesen Überhitzer kann man mit fossilen. Brennstoffen betreiben: trotz des höheren Preises dieser Brennstoffe wird die mehr gewonnene Spitzenkilowattstunde sehr billig, da die zusätzlichen Anlagekosten, je kW viel niedriger als bei konventionellen Werken, und die Brennstoffkosten bei dem thermodynamischen Wirkungsgrad von rund 50 %> der reinen Überhitzung gering bleiben. Es ist natürlich auch zu prüfen, ob man diese Wärme nicht dem Kernreaktor entnehmen soll.

Es erscheint zweckmäßig das beschriebene Verfahren an Hand eines Schemas zu erläutern.

In der Zeichnung stellt der obere Teil die Gasturbinenanlage, der untere die Einrichtungen zum Umwandeln von Nacht- in Tagesenergie dar; es sind nur die wesentlichen Teile dargestellt. Vom Kernreaktor 1 kommen die heißen Gase, z. B. Stickstoff, und expandieren in der Turbine 2., werden im Wärmeaustauscher 3 abgekühlt unter Erwärmung der aus dem Kompressor 4' und 4" kommenden und zum Reaktor zurückkehrenden Gase. Die beiden Kühler 5' und 5" führen zur Verminderung der Kompressionsarbeit Wärme (Abwärme) über aus der Umgebung 6 kommenden Kühlwasser ab. 7 stellt den Generator dar. Diese Abwärme wird als warmes Wasser dem Unterspeicher 10 oben zugeführt. Während der Überschußzeit — Ladezeit der Oberspeicher — wird der Wasserinhalt über die — hier zweistufig dargestellten — Entspannungsgefäße 11' und 11" geleitet, aus denen der Kompressor 12 den angesaugten Dampf in den Oberspeicher 13 drückt (mit oder ohne Kühlung). Während der Entladezeit geht der Dampf aus dem Oberspeicher 13, gegebenenfalls durch den Überhitzer 14 (oder Überhitzungsspeicher, der dann selbstverständlich etwas anders zu schalten ist) in die Turbine 15, die den Generator 16 (Motor) antreibt. Die Leitungen 17 führen während der Entladezeit tiefliegenden Stufen der Turbine Dampf aus dem Unterspeicher 10 zu, soweit dies in Frage kommt. Während der Ladeperiode (Überschußzeit) wird das abgekühlte Wasser aus den Entspannungsgefäßen gegebenenfalls dem Speicher nach dem Verdrängungsprinzip unten wieder zugeführt, während der Entladeperiode läuft es ab, wie bei 18 angedeutet. Da während der Entladezeit auch Abwärme aus der Gasturbine anfällt, der Unterspeicher aber gegebenenfalls kälteres Wasser als das aus der Gasturbine kommende Kühlwasser enthält, wird, falls man die Mischung vermeiden will, der Unterspeicher sinngemäß unterteilt werden. Ähnliches gilt, falls man die Temperatur der Abwärme ίο während der Überschußzeit erhöht.

Claims

Patentansprüche·.

1. Verfahren zum Übertragen von Nachtüberschuß energie von Kernenergie-Anlagen mit Gasturbinen auf den Tag mit Hilfe des thermodynamischen Speicherungsverfahrens, bei dem Abwärme einem Unterspeicher zugeführt wird, aus welchem mittels des von der Nachtüberschußenergie angetriebenen Dampfkompressors direkt oder indirekt Dampf abgesaugt und in Speicher höheren Druckes gefördert wird, um von dort zu Zeiten hohen Energiebedarfes in eine Dampfturbine zur vollständigen Entspannung geleitet zu werden, nach Patentanmeldung M 34000Ia/14h, dadurch gekennzeichnet, daß die Abwärme, die über den Anteil hinausgeht, welcher durch Absaugen von Dampf aus dem Unterspeicher mittels des Dampfkompressors entnommen wird, weiter gespeichert wird oder bleibt, um während der Zeit des hohen

Energiebedarfes über ein- oder mehrstufige Entspannungsgefäße einer Niederdruckstufe der Dampfturbine zugeführt zu werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens ein Teil der Abwärme nicht dem Unterspeicher zugeführt, sondern für sich bei ihrer vollen Temperatur gespeichert wird und zur Zeit hohen Energiebedarfes über ein- oder mehrstufige Entspannungsgefäße gleichfalls einer der Niederdruckturbinenstufen zugeführt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das durch die Dampf entnahme des Kompressors abgekühlte Speicherwasser am unteren Teil des gleichen Speichers nach dem Verdrängungsprinzip wieder zugeführt wird, wobei das aus der Gasturbinenanlage kommende, nicht abgekühlte Kühlwasser für sich gespeichert wird oder auch mit dem anderen gemischt wird.

4. Verfahren nach den vorstehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, daß bei besonders hohem Anfall an Nachtüberschußenergie die Kühlwasserendtemperatur der Gasturbinenanlage erhöht, dieses wärmere Wasser separat gespeichert und in der Dampfturbine ausgenutzt wird.

5. Verfahren nach den vorstehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, daß die durch den Speicher bereitgestellte Energie durch Überhitzung des Speicherdampfes vergrößert wird, wobei die Überhitzung durch einen Überhitzungsspeicher oder durch dem Speicherprozeß fremde Wärme erfolgt.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsche Patentschriften Nr. 898101, 617 648, 386 880, 269 521;

schweizerische Patentschriften Nr. 239 277,
114, 211358;

belgische Patentschrift Nr. 494 708.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen