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EP2976511A1 - Verfahren und vorrichtung zur erzeugung elektrischer energie - Google Patents

Verfahren und vorrichtung zur erzeugung elektrischer energie

Info

Publication number
EP2976511A1
EP2976511A1 EP14716236.6A EP14716236A EP2976511A1 EP 2976511 A1 EP2976511 A1 EP 2976511A1 EP 14716236 A EP14716236 A EP 14716236A EP 2976511 A1 EP2976511 A1 EP 2976511A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
compressed air
air flow
pressure level
mode
cold
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Withdrawn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
EP14716236.6A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Alexander Alekseev
Christoph Stiller
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Linde GmbH
Original Assignee
Linde GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Linde GmbH filed Critical Linde GmbH
Priority to EP14716236.6A priority Critical patent/EP2976511A1/de
Publication of EP2976511A1 publication Critical patent/EP2976511A1/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Withdrawn legal-status Critical Current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
    • F01K23/00—Plants characterised by more than one engine delivering power external to the plant, the engines being driven by different fluids
    • F01K23/02—Plants characterised by more than one engine delivering power external to the plant, the engines being driven by different fluids the engine cycles being thermally coupled
    • F01K23/06—Plants characterised by more than one engine delivering power external to the plant, the engines being driven by different fluids the engine cycles being thermally coupled combustion heat from one cycle heating the fluid in another cycle
    • F01K23/10—Plants characterised by more than one engine delivering power external to the plant, the engines being driven by different fluids the engine cycles being thermally coupled combustion heat from one cycle heating the fluid in another cycle with exhaust fluid of one cycle heating the fluid in another cycle
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K7/00—Arrangements for handling mechanical energy structurally associated with dynamo-electric machines, e.g. structural association with mechanical driving motors or auxiliary dynamo-electric machines
    • H02K7/18—Structural association of electric generators with mechanical driving motors, e.g. with turbines
    • H02K7/1807—Rotary generators
    • H02K7/1823—Rotary generators structurally associated with turbines or similar engines
    • 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
    • F01K23/00—Plants characterised by more than one engine delivering power external to the plant, the engines being driven by different fluids
    • F01K23/18—Plants characterised by more than one engine delivering power external to the plant, the engines being driven by different fluids characterised by adaptation for specific use
    • 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
    • F01K27/00—Plants for converting heat or fluid energy into mechanical energy, not otherwise provided for
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02C—GAS-TURBINE PLANTS; AIR INTAKES FOR JET-PROPULSION PLANTS; CONTROLLING FUEL SUPPLY IN AIR-BREATHING JET-PROPULSION PLANTS
    • F02C3/00—Gas-turbine plants characterised by the use of combustion products as the working fluid
    • F02C3/04—Gas-turbine plants characterised by the use of combustion products as the working fluid having a turbine driving a compressor
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02C—GAS-TURBINE PLANTS; AIR INTAKES FOR JET-PROPULSION PLANTS; CONTROLLING FUEL SUPPLY IN AIR-BREATHING JET-PROPULSION PLANTS
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    • F02C6/14—Gas-turbine plants having means for storing energy, e.g. for meeting peak loads
    • F02C6/16—Gas-turbine plants having means for storing energy, e.g. for meeting peak loads for storing compressed air
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    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
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    • F25J1/0037—Processes or apparatus for liquefying or solidifying gases or gaseous mixtures characterised by the kind of cold generation within the liquefaction unit for compensating heat leaks and liquid production using the feed stream itself or separated fractions from it, i.e. "internal refrigeration" by gas expansion with extraction of work of a return stream
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    • F25J1/0202—Processes or apparatus for liquefying or solidifying gases or gaseous mixtures requiring the use of refrigeration, e.g. of helium or hydrogen ; Details and kind of the refrigeration system used; Integration with other units or processes; Controlling aspects of the process using only internal refrigeration means, i.e. without external refrigeration in a quasi-closed internal refrigeration loop
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    • F25J1/0203—Processes or apparatus for liquefying or solidifying gases or gaseous mixtures requiring the use of refrigeration, e.g. of helium or hydrogen ; Details and kind of the refrigeration system used; Integration with other units or processes; Controlling aspects of the process using a single-component refrigerant [SCR] fluid in a closed vapor compression cycle
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    • F25J1/0228—Coupling of the liquefaction unit to other units or processes, so-called integrated processes
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    • F25J1/0243—Start-up or control of the process; Details of the apparatus used; Details of the refrigerant compression system used
    • F25J1/0244—Operation; Control and regulation; Instrumentation
    • F25J1/0245—Different modes, i.e. 'runs', of operation; Process control
    • F25J1/0251—Intermittent or alternating process, so-called batch process, e.g. "peak-shaving"
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    • F25J1/0257—Construction and layout of liquefaction equipments, e.g. valves, machines
    • F25J1/0262—Details of the cold heat exchange system
    • F25J1/0264—Arrangement of heat exchanger cores in parallel with different functions, e.g. different cooling streams
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    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05D—INDEXING SCHEME FOR ASPECTS RELATING TO NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, GAS-TURBINES OR JET-PROPULSION PLANTS
    • F05D2220/00—Application
    • F05D2220/30—Application in turbines
    • F05D2220/31—Application in turbines in steam turbines
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    • F05D2240/35—Combustors or associated equipment
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    • F25J2205/00—Processes or apparatus using other separation and/or other processing means
    • F25J2205/24—Processes or apparatus using other separation and/or other processing means using regenerators, cold accumulators or reversible heat exchangers
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    • F25J2210/00—Processes characterised by the type or other details of the feed stream
    • F25J2210/06—Splitting of the feed stream, e.g. for treating or cooling in different ways
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    • F25J2235/00—Processes or apparatus involving steps for increasing the pressure or for conveying of liquid process streams
    • F25J2235/02—Processes or apparatus involving steps for increasing the pressure or for conveying of liquid process streams using a pump in general or hydrostatic pressure increase
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    • F25J2240/00—Processes or apparatus involving steps for expanding of process streams
    • F25J2240/80—Hot exhaust gas turbine combustion engine
    • F25J2240/82—Hot exhaust gas turbine combustion engine with waste heat recovery, e.g. in a combined cycle, i.e. for generating steam used in a Rankine cycle
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F25J2240/00—Processes or apparatus involving steps for expanding of process streams
    • F25J2240/90—Hot gas waste turbine of an indirect heated gas for power generation
    • 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
    • Y02E60/16—Mechanical energy storage, e.g. flywheels or pressurised fluids

Definitions

  • the invention relates to a method according to the preamble of claim 1.
  • the "main air compressor” may be decided or in addition to the here "main compressed air flow” air volume for the combustion unit and the
  • Air compression system which includes the main air compressor, serve mainly to supply the combustion unit and the cold storage system. Under “the main compressed air flow, in the main air compressor on the first
  • Compressed air level is compressed, "here is in any case to understand the sum of the proportions of compressed in the main air compressor air, which ultimately in the
  • Combustion unit or be introduced into the cold storage system.
  • the main air compressor may have one or more serially connected stages and be formed single or multi-stranded.
  • Main air compressors and booster can have a common drive or driven by separate shafts.
  • pressure level is used here in order to be able to ignore unavoidable and unintentional pressure differences, such as, for example, the natural pressure losses of the appliances flown through.
  • a pressure level includes, for example, one
  • Pressure level may be equal to, lower, or higher than the first pressure level. As a rule, it is at least 5 bar, preferably more than 8 bar higher than the first pressure level.
  • the refrigeration, storage and recovery can be carried out in the invention by any suitable method.
  • the cold storage system means for generating cold from compressed air (refrigeration) and the means
  • CONFIRMATION COPY for generating a compressed air flow at the second pressure level
  • Cold recovery are formed by separate apparatus; however, preferably at least partially the same apparatuses are used for refrigeration and recovery.
  • the cold storage can be done in any known manner, for example in the form of a cold or cryogenic fluid or in the form of a solid cold storage, such as a regenerator.
  • a storage fluid can be cooled only by the transfer of sensible heat or formed by liquefaction of a gas.
  • combinations of all possibilities for refrigeration, storage and recovery are possible.
  • cold storage system does not include systems which serve another main purpose and incidentally act as a cold storage, such as air separation plants, which are operated variable depending on the price of electricity and thereby buffer liquid products.
  • the invention is therefore based on the object to reduce the expenditure on equipment for the combined system.
  • Combustion air can be made smaller and more cost-effective or at best completely omitted.
  • the first and second pressure levels are different.
  • the "first pressure level” is between 4 and 10 bar, preferably between 4 and 8 bar and the “second pressure level” above 10 bar, preferably between 12 and 70 bar.
  • This pressure difference is generated in particular by a first secondary compressor for the recompression of compressed in the main air compressor compressed air to the second pressure level.
  • the first after-compressor is part of the "air compression system". In normal operation, all the air is introduced from the main air compressor in the first booster.
  • the energy storage capacity of the system is increased by the use of at least one cold compressor, while in the known system, although a cold compressor is used, but this is only used in the loading mode.
  • This cold compressor serves, in the second mode of operation, at least part of the first compressed air flow in the cold storage system to the second
  • Pressure level (and in some embodiments beyond the second pressure level to a higher pressure level) are brought.
  • warm gas compressor the heat of compression in one
  • cold compressor is used for this purpose.
  • a "cold compressor” is understood here to mean a gas compressor whose inlet temperature is below 240 K.
  • the cold storage system of the invention may also comprise two or more cold compressors.
  • the first compressed air flow can be formed only by a first part of the main compressed air flow generated in the main air compressor.
  • the remainder - or a part of it - can directly (that is on the
  • combustion turbine which is not coupled with an air compressor.
  • a "combustion turbine” is understood here to mean a system in which, similar to a conventional gas turbine system, combustion exhaust gas in a turbine
  • Expander is working to relax in order to generate electrical energy in a generator coupled to the turbine.
  • gas turbine expander and gas turbine compressor for compressing the combustion air is a
  • combustion turbine is not mechanically coupled to a compressor, but transfers the recovered mechanical energy completely or practically completely to a generator for generating electrical energy.
  • Combustion turbine generated by work-performing expansion of the combustion gas mechanical energy is thus completely or substantially completely converted into electrical energy within the efficiency of the machine.
  • Main air compressor for the cold storage system also completely the function of compression of the combustion air for the power plant.
  • the cold storage system more precisely in the means for generating refrigeration from compressed air, at least in the first mode of operation (charging operation), cold is obtained by working expansion of air.
  • the first partial flow At least a part (the “first partial flow") of the first compressed air flow is introduced into an air turbine. This drives a “second booster” for at least a part (the "second
  • the second partial flow preferably comprises the first partial flow, that is to say the secondary compressor increases the inlet pressure of the air turbine and thus the cooling power generated there without additional energy being required from outside
  • the cold storage system may have two turbine-booster combinations and additionally an externally driven booster; the latter can also be designed as a cycle compressor.
  • An example of this is a cold storage system in which, in the first mode of operation, only a single compressor is running for air driven by an air turbine.
  • the cold storage system of the invention may in particular be designed as a liquid air storage system according to claim 5.
  • the "means for generating refrigeration from compressed air” are designed as air liquefiers, the "means for generating a
  • the liquid air can be stored in the invention without pressure (ie under ambient pressure). Alternatively, it is stored at an elevated pressure, preferably in the range of 3 to 25 bar, for example 4, 6, 8 or 16 bar.
  • the air evaporator may comprise an air turbine in which in the second mode of operation at least part of the (pseudo) vaporized air is released from a fourth pressure level to the second pressure level, the air turbine in particular to an electric generator or to a cold engine is mechanically coupled to increase the pressure of an air flow in the second mode of operation.
  • the air turbine in particular to an electric generator or to a cold engine is mechanically coupled to increase the pressure of an air flow in the second mode of operation.
  • Air turbines are used.
  • the liquid air is brought before its (pseudo) evaporation to a fourth pressure level, which is more than 42 bar, preferably more than 63 bar.
  • a fourth pressure level which is more than 42 bar, preferably more than 63 bar.
  • An upper limit for the fourth pressure level is formed by the operating parameters of the air turbine.
  • the air turbine can also be designed as a hot turbine whose
  • Inlet temperature is above the ambient temperature (hot gas expander). It is also possible to provide a plurality of such air turbines in the air evaporator, for example for each cold machine.
  • cold machine is meant here a machine for increasing the pressure of an air stream whose inlet temperature is well below the ambient temperature, in particular below 240 K. This may be a cold compressor for gaseous air or a pump for liquid air.
  • a liquid storage fluid is cooled in the cold storage system in the first mode and introduced into a cold tank and taken in the second mode liquid storage fluid from the cold tank and warmed. It makes sense to store the warmed liquid storage fluid in a second, warm tank. In this case, only sensible heat is transferred to or from the storage fluid, that is to say it undergoes no phase transition either during cooling or during heating.
  • the cooling and heating of the storage fluid is between two
  • the first, lower temperature level T1 can be in the range of 78 to 120 K, preferably 78 to 100 K, the second, higher temperature level T2 in the range of 130 to 200 K, preferably
  • the "first compressed air flow” is not liquefied, but only cooled. This cold is not stored as cryogenic liquid air, but in a solid, the storage mass of the regenerator.
  • the invention also relates to a device according to claim 11.
  • the device according to the invention can be supplemented by device features which correspond to the features of the dependent method claims.
  • FIG. 1 shows the basic principle of the invention with at least three - here five -
  • Figure 2 shows a first embodiment of the invention, wherein the
  • Vaporization system is formed
  • Figures 13 to 17 show three alternative embodiments of a power plant for use in each of the preceding embodiments, and Figure 18 shows an alternative embodiment of an air evaporator.
  • Air volumes for other purposes eg instrument air.
  • first pressure level is in the embodiments at about 5 bar, the "second pressure level” at about 17 bar.
  • the roughly schematically illustrated in the figure 1 combined system according to the invention comprises an air compression system 100, a cold storage system 200 and a power plant 300.
  • the air compression system 100 comprises a main air compressor 2 and a first after-compressor 10, the cold storage system 200 means 201 for Generation of refrigeration from compressed air, means 202 for storing thereby produced cold and means 203 for generating a compressed air flow at a second, higher pressure level.
  • the power plant 300 has a combustion unit and a
  • Combustion turbine which is connected to an electric generator (not shown in detail in Figure 1).
  • FIG. 1 shows three modes of operation:
  • A a "first operating mode” (pure charging operation)
  • a ' a modified "first mode" (charging mode combined with
  • the first booster 10 In the first mode of operation A, the first booster 10, the power plant 300 and the means 203 for generating a compressed air flow are out of operation. It will
  • Atmospheric air 99 is compressed in the main air compressor 2 to the first pressure level.
  • the "main compressed air flow” 101 is completely introduced as a "first compressed air flow” in the means 201 for generating cold air from compressed air, wherein cold generated there is stored in the cold storage means 202.
  • the first after-compressor 10 and the means 201 for producing refrigeration from compressed air are out of operation. It is exclusively the
  • Cold storage 202 discharged. Atmospheric air 99 is compressed in the main air compressor 2 to the first pressure level.
  • the "main compressed air flow” 101 is completely introduced as “first compressed air flow” into the means 203 for generating a compressed air flow by means of the cold stored in the cold storage 202.
  • the generated thereby "third compressed air flow” 204 is located on the second
  • the cold storage system 200 is completely out of service. (Of course, the cold stored in the cold storage 202 remains cold until natural losses are obtained, but the cold storage is neither charged nor deliberately discharged.) Only the power plant is operated, the main air compressor 2, but continues to run. The entire main compressed air stream 101 is recompressed as "second compressed air stream" 103 in the first after-compressor 10 to the second pressure level and used in the power plant 300 as combustion air 104. The air flow 104 is in this
  • the means 203 for generating a compressed air flow are out of operation.
  • the main compressed air stream 101 is split between the cold storage system 200 (first compressed air flow 102) and the power plant (second compressed air flow 103).
  • first compressed air flow 102 first compressed air flow 102
  • second compressed air flow 103 second compressed air flow 103
  • any desired portion of the main compressed air flow 101 can be introduced into the cold storage system 200 as the first compressed air flow 102. For a long time will be
  • the main compressed air stream 101 is also divided between the cold storage system 200 (first compressed air stream 102 - here after 203) and the power plant (second compressed air stream 103).
  • the cold storage 202 is discharged at the same time and the power plant 300 charged with additional combustion air 104, which (except for the re-compression 10) comes directly to the main air compressor 2.
  • any desired portion of the main compressed air flow 101 can be introduced into the cold storage system 200 as the first compressed air flow 102.
  • 50 to 100% are introduced into the cold storage system. Values outside of this numeric range are usually only briefly during the transition to normal operation C or pure
  • Unloading operation B reached.
  • Apparatus groups are formed. Preferably, however, one, several or all apparatus parts of the means 201 for generating cold from compressed air are simultaneously
  • Component of the means 203 for generating a compressed air stream are then used both in the first and in the second mode of operation. This further reduces the expenditure on equipment.
  • FIG. 2 shows a first embodiment of the invention, in which the
  • Cold storage system 200 as air liquefaction and evaporation system
  • the air compression system 100 has a filter 1, a pre-cooler 3 and an aftercooler 98 for the after-compressor 10.
  • Main air compressor 2 and after-compressor 10 are each formed single-stranded.
  • the main air compressor 2 has three to four stages, the after-compressor 10 one to three stages.
  • a cleaning device 4 is installed, which in particular removes water and carbon dioxide, before this air flow enters the cold part of the cold storage system 200.
  • Embodiment designed as it is common in air liquefaction technology and in cryogenic air separation plants.
  • the "means for generating cold from compressed air” are designed as Heilvermillioner 201, the “means for storing thereby generated cold” as a liquid air tank 202 and the "means for generating a
  • air liquefier 201 and air evaporator 203 are completely separate.
  • the main compressed air stream 101 is supplied here completely as the first compressed air stream 102 through the cleaning device 4 and via line 102a to the air liquefier 201.
  • a first part 210 (which can simultaneously form the "first partial flow” and the "second partial flow” in the sense of the claims) is recompressed in a second after-compressor 5a with aftercooler 5b to a pressure of 6 to 10 bar, in one
  • Secondary heat exchanger 26 cooled and relaxed in a first air turbine 5 to just above atmospheric pressure.
  • the first air turbine 5 is mechanically coupled to the second after-compressor 5a.
  • the working expanded air is warmed in the cold part of a main heat exchanger 21 and further in the secondary heat exchanger 26 to about ambient temperature and finally blown off via line 211 into the atmosphere or used for drying purposes.
  • the remainder 212 of the cleaned first compressed air flow 102a is further compressed in an externally driven by an electric motor cycle compressor 11 with aftercooler 1 1 b and in a third booster 12a with aftercooler 12b to an even higher third pressure level of 30 to 60 and finally to a first part in a second air turbine 12, which drives the third boost compressor 12a,
  • Embodiment is under pressure (second pressure level). Flash gas 213 from the separator 23 is warmed in the main heat exchanger 21 to approximately ambient temperature and returned to the inlet of the Kreisiaufverêtrs 1. A small portion of the supercooled liquid air is further expanded in a second throttle valve 25 to about atmospheric pressure, warmed in the subcooler 24 and mixed with the exhaust gas of the first air turbine 5.
  • the power plant 300 and the air evaporator 203 the power plant receives its combustion air exclusively from the air evaporator.
  • the main compressed air stream 101 is here completely supplied as the first compressed air flow 102 through the cleaning device 4 and via line 102a the air evaporator 203 and provides the heat for the evaporation and heating of the stored liquid air and also forms itself a part of the combustion air.
  • a first part of the purified first compressed air stream 102a is cooled in a further secondary heat exchanger 29 and a further main heat exchanger 28, without being liquefied, in a first cold compressor 31 to the second
  • Ambient temperature warmed and fed into the combustion air line 204 A second part is cooled in the main heat exchanger 28 to an intermediate temperature (in the example 150 K) and brought to the second pressure level in a second cold compressor 32 and fed into the combustion air line 204.
  • an intermediate temperature in the example 150 K
  • Liquid air is removed from the liquid air tank 202, brought in a pump 27 to the second pressure level and the evaporation and heating in
  • the power plant contains a combustion turbine, which is a combustion chamber
  • Combustion unit 42 an expander 44 for combustion gas 303 and a generator 43 for generating electrical energy, but no compressor for combustion air. Rather, all the mechanical energy in that
  • Expander 44 obtained is transmitted via a mechanical coupling to the generator 43.
  • the combustion air 204 is in a heater 41 against relaxed
  • Combustion gas 304 warmed up and enters a combustion chamber (combustion unit) 42, in which a fuel (fuel) 302 is burned, which is formed in particular by natural gas.
  • the hot combustion gas 303 is depressurized in the combustion turbine to approximately atmospheric pressure. Its waste heat is used in the heater 41; a steam generation is not provided.
  • the cold storage system 200 is out of operation, the liquid air tank 202 its
  • the combustion air for the power plant 300 comes here exclusively via the line 104 from the air compression system 100. There, the entire main pressure stream 101 is recompressed in the first booster 10 to the second pressure level.
  • Recirculation Compressors 1 can work in the same or different ways
  • the two secondary compressors 5a and 12a are driven by air turbines (ie indirectly by the main air compressor 2 and its drive), so do not require any additional energy import.
  • Circulation compressor 11 more energy must be plugged from the outside.
  • Plate heat exchanger blocks realized.
  • the two pairs can each be realized by an integrated main heat exchanger, which combines both functions in itself.
  • FIGS. 3 to 5 three further embodiments of an air evaporator are shown, each of which can replace the air evaporator in FIG. Figure 3 shows an embodiment of the air evaporator that does not require an external power supply that goes beyond the main air compressor.
  • the cold machines 27, 31, 32 are each driven by an air turbine 27t, 31t and 32t.
  • the liquid air is brought in the pump 27 to a fourth pressure level, which is significantly higher than the second pressure level and in this and the following embodiments at 65 bar.
  • the air generated particularly high pressure is distributed after heating in the main heat exchanger 28 on the three parallel turbines 27t, 31t, 32t and there expanded to the second pressure level work.
  • the work-relaxing air becomes again
  • Air evaporator of Figures 2 and 3 possible by, for example, only one or two of the cold machines 27, 31 and 32 of Figure 2 are equipped with turbine drive according to Figure 3.
  • the liquid air in the pump is also brought to the above-mentioned fourth pressure level.
  • the air generated particularly high pressure is released after heating in the main heat exchanger 28 to approximately ambient temperature in the turbine 204 to the second pressure level work.
  • the working expanded air is warmed in the main heat exchanger 28 and finally fed into the combustion air line 204.
  • the air turbine 204 is coupled in Figure 4 to a generator which provides additional electrical energy in the second mode of operation (discharge operation).
  • the cold machines 27, 31 and 32 consume energy analogous to Figure 2.
  • Figure 5 largely corresponds to Figure 4, but the air is on the fourth
  • the air turbine 240 thus has a lower inlet temperature (and also a lower outlet temperature) than in FIG.
  • a system can be used as a cold storage system, in which air liquefaction and evaporation of air is carried out at least partially in the same apparatus.
  • a system is, for example, in the earlier patent application EP 12004833.5 and the corresponding thereto
  • the "means 201 for generating refrigeration from compressed air” have an air turbine 13t and an after-compressor 13a with aftercooler 13b.
  • the "means 203 for generating a compressed air flow at the second pressure level” include an externally driven booster 31.
  • a warm heat exchanger 21 and a cold heat exchanger 26 are part of both “means” 201, 203.
  • the cold storage 202 is in contrast to the figures 2 to 5 not formed as a liquid air tank, but as a pair of
  • Liquid tanks 73/74 for storing a liquid storage fluid at two different temperature levels T1 and T2 with T2> T1.
  • first mode of operation storage fluid is cooled from the warm tank 73 to about T1 and introduced into the cold tank 74.
  • the storage fluid used in the example is liquid propane, T1 is approximately 90 K, T2 is approximately 150 K.
  • the (sensible) cold required for this is generated in the air turbine 13t.
  • the first Compressed-air stream 102 is first recompressed in the after-compressor 13a with aftercooler 13b from the second to the third pressure level, then cooled in the warm heat exchanger 21 to a temperature of for example 155 K and expanded in the air turbine 13t to approximately atmospheric pressure.
  • the air enters at a temperature of about 85 K in the cold heat exchanger 26 and is heated there and further in the warm heat exchanger 21 to about ambient temperature.
  • Main compressed air stream 101 sent as the first compressed air stream 102 through the cleaning device 4 and enters as a purified first compressed air flow 102a in the
  • Heat exchanger 21 warmed and finally introduced as a "third compressed air flow" in the combustion air line 204.
  • a small part 206 may optionally take a detour via a regeneration gas heater 6 and the cleaning device 4, where it is used as a regeneration gas.
  • storage fluid is conveyed from the cold tank 74 to the cold heat exchanger 26 by means of the pump 71, where it is warmed from approximately T1 to approximately T2 and finally introduced into the warm tank 73.
  • the "third compressed air flow” forms the entire combustion air for the power plant 300 in the operating case B.
  • the system of Figure 6 may also be in the modified first and second
  • Operation A 'and B' of Figure 1 are driven.
  • the cold storage system 200 is out of order and the liquid level in the tanks 73, 74 remains constant.
  • the combustion air for the power plant 300 comes here exclusively via the line 104 from the air compression system 100. There, the entire main pressure stream 101 is recompressed in the first booster 10 to the second pressure level.
  • FIG. 7 shows a combined system which differs only slightly from that of FIG. Only the pure charging mode (A) is shown here.
  • the first after-compressor 10 is used to produce the first compressed air stream 102.
  • the cold storage is virtually charged by the booster.
  • FIG. 8 likewise differs only in the charging mode (A) from FIGS. 6 and 7, specifically in that both the main air compressor 2 and the first one
  • After-compressor 10 are used to generate the first compressed air stream 102.
  • the refrigeration cycle of both compressors 2, 10 is operated.
  • the turbines have equal inlet and outlet temperatures.
  • FIG. 9 differs from FIG. 8 in that the two turbine / compressor combinations 12, 13 are also connected in parallel on the compressor side.
  • Figure 10 largely corresponds to Figure 6.
  • the cold storage 200 is designed as a regenerator cold storage.
  • the storage mass of the regenerator 28 is cooled in the first mode (A) and reheated in the second mode (B). Refrigeration and generation of the third compressed air flow work analogously to FIG. 6. Normal operation does not differ from FIG. 6 (C).
  • FIG. 10 Analogous to the compressor configuration in FIGS. 7, 8 and 9, the embodiment of FIG. 10 can also be modified in that in the first embodiment Operating mode, only the first compressor 10 or both the main air compressor and the secondary compressor 2, the "first compressed air flow" generate in the first embodiment Operating mode, only the first compressor 10 or both the main air compressor and the secondary compressor 2, the "first compressed air flow" generate in the first embodiment Operating mode, only the first compressor 10 or both the main air compressor and the secondary compressor 2, the "first compressed air flow" generate in the
  • Heat exchanger 26 While the liquid is pumped from one container 73/74 in the other 74/73, the vapor or the gas from the gas space above the liquid from the receiver container 74/73 in the
  • Source container 73/74 passed.
  • the gas space of the two containers 73/74 can be
  • a non-condensable gas such as nitrogen
  • FIG. 10 has outer container 120, a heat insulation 121 and an inner container 122 which is filled with a porous mass 123 which has a high heat capacity. In all embodiments shown so far, one of the alternatives
  • Embodiments of the power plant 300 are used, as shown in Figures 13 to 18.
  • HSRG heat recovery steam generator - sometimes also referred to as a waste heat boiler
  • the source of this further heat can be arbitrary, for example, residual heat from another process, heat from one
  • Heat storage or a solar system This can be at the same
  • FIG. 15 shows three variants of a system with two combustion turbines 44a, 44b, which are both coupled to the generator 43.
  • the recuperator 41 is used simultaneously for the heating of regeneration gas 206 for the cleaning device 4.
  • On the left is shown a variant with a combined heat exchanger 41, on the right another, in which only two-stream high-temperature heat exchangers 41, 41a and 41b are used.
  • Figure 18 shows a variant of the invention in the second mode of operation, which may be applied to the systems of Figures 2 to 5.
  • the liquid air is brought in the pump 27 to a fourth pressure level of 40 to 200 bar, heated in the heater 41 by indirect heat exchange with combustion gas to a temperature of for example 600 ° C and by means of a work-performing relaxation in a hot air turbine 1800 to the second Pressure level of the combustion process brought, whereby additional electrical energy is generated.

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Abstract

Das Verfahren und die Vorrichtung dienen zur Erzeugung elektrischer Energie in einem kombinierten System aus Kraftwerk (300), Kältespeichersystem (200) und Luftverdichtungssystem (100). Das Luftverdichtungssystem (100) weist einen Hauptluftverdichter (2) zur Erzeugung eines Hauptdruckluftstroms (101) auf einem ersten Druckniveau auf. Das Kraftwerk weist eine Verbrennungseinheit auf, die auf einem zweiten Druckniveau betrieben wird und ein Verbrennungsgas erzeugt, aus dem elektrische Energie erzeugt wird, Das Kältespeichersystem weist Mittel (201) zur Erzeugung von Kälte aus Druckluft, Mittel (202) zum Speichern von dabei erzeugter Kälte und Mittel (203) zur Erzeugung eines Druckluftstroms auf dem zweiten Druckniveau mit Hilfe der gespeicherten Kälte auf. In einer ersten Betriebsweise (Ladebetrieb A, A') wird ein erster Druckluftstrom (102, 102a) aus dem Luftverdichtungssystem (100) in das Kältespeichersystem (200) eingeleitet, um den Kältespeicher (202) aufzuladen. In einer zweiten Betriebsweise (Entladebetrieb B, B') ein erster Druckluftstrom (102), der durch einen ersten Teil des im Hauptluftverdichter (101) erzeugten Hauptdruckluftstroms (2) gebildet wird, in das Kältespeichersystem (200) eingeleitet wird, um den Kältespeicher (202) zu entladen und damit einen dritten Druckluftstrom (204) auf dem zweiten Druckniveau zu erzeugen, der in die Verbrennungseinheit eingeleitet wird. Das Luftverdichtungssystem weist außerdem einen ersten Nachverdichter (102) zur Nachverdichtung von im Hauptluftverdichter verdichteter Druckluft auf das zweite Druckniveau auf. In einer dritten Betriebsweise (Normalbetrieb) wird der gesamte im Hauptluftverdichter erzeugte Hauptdruckluftstrom in dem ersten Nachverdichter auf das zweite Druckluftniveau nachverdichtet und in die Verbrennungseinheit eingeleitet.

Description

Beschreibung
Verfahren und Vorrichtung zur Erzeugung elektrischer Energie
Die Erfindung betrifft ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Der "Hauptluftverdichter" kann dezidiert sein oder neben der hier "Hauptdruckluftstrom" genannten Luftmenge für die Verbrennungseinheit und das
Kältespeicherspeichersystem noch weitere Luftanteile für andere Verbraucher erzeugen. Diese weiteren Luftanteile können relativ geringfügig sein (zum Beispiel Instrumentenluft) oder umgekehrt auch sehr groß; dann ist der Hauptluftverdichter Teil eines größeren, integrierten Luftverdichtungssystems. Im Regelfall wird das
Luftverdichtungssystem, zu dem der Hauptluftverdichter gehört, hauptsächlich zur Versorgung der Verbrennungseinheit und des Kältespeichersystems dienen. Unter "dem Hauptdruckluftstrom, der in dem Hauptluftverdichter auf das erste
Druckluftniveau verdichtet wird", ist hier jedenfalls die Summe der Anteile der in dem Hauptluftverdichter verdichteten Luft zu verstehen, die letztendlich in die
Verbrennungseinheit oder in das Kältespeichersystem eingeleitet werden.
Der Hauptluftverdichter kann eine oder mehrere seriell verbundene Stufen aufweisen und ein- oder mehrsträngig ausgebildet sein. Hauptluftverdichter und Nachverdichter können einen gemeinsamen Antrieb aufweisen oder über getrennten Wellen angetrieben werden.
Der Begriff "Druckniveau" wird hier verwendet, um unvermeidbare und unbeabsichtigte Druckdifferenzen ignorieren zu können, wie zum Beispiel die natürlichen Druckverluste der durchströmten Apparate. Ein Druckniveau umfasst beispielsweise einen
Druckbereich von +/- 1 bar. Das in den Patentansprüchen erwähnte zweite
Druckniveau kann gleich, niedriger oder höher als das erste Druckniveau sein. In der Regel ist es mindestens 5 bar, vorzugsweise mehr als 8 bar höher als das erste Druckniveau.
Die Kälteerzeugung, -speicherung und -rückgewinnung können bei der Erfindung durch jede geeignete Methode durchgeführt werden. Innerhalb des Kältespeichersystems können Mittel zur Erzeugung von Kälte aus Druckluft (Kälteerzeugung) und die Mittel
BESTÄTIGUNGSKOPIE zur Erzeugung eines Druckluftstroms auf dem zweiten Druckniveau
(Kälterückgewinnung) von separaten Apparaten gebildet werden; vorzugsweise werden jedoch wenigstens teilweise dieselben Apparate für Kälteerzeugung und -rückgewinnung eingesetzt. Die Kältespeicherung kann auf jede bekannte Weise erfolgen, beispielsweise in Form eines kalten oder tiefkalten Fluids oder in Form eines Feststoff-Kältespeichers, beispielsweise eines Regenerators. Im Rahmen der
Kälteerzeugung kann ein Speicherfluid lediglich durch den Übergang fühlbarer Wärme abgekühlt oder auch durch Verflüssigung eines Gases gebildet werden. Im Rahmen der Erfindung sind auch Kombinationen aller Möglichkeiten zur Kälteerzeugung, -speicherung und -rückgewinnung möglich.
Von dem Begriff "Kältespeichersystem" nicht umfasst sind Systeme, die einem anderen Hauptzweck dienen und nebenbei als Kältespeicher wirken, beispielsweise Luftzerlegungsanlagen, die variabel in Abhängigkeit vom Strompreis betrieben werden und dabei Flüssigprodukte puffern.
Ein Verfahren der eingangs genannten Art und eine entsprechende Vorrichtung sind aus US 2003101728 A1 bekannt. Hier wird der Hauptluftverdichter nur im
Normalbetrieb und im Ladebetrieb betrieben; dabei ist der Austrittsdruck des
Hauptluftverdichters (das "erste Druckniveau") gleich dem Betriebsdruck der
Verbrennungseinheit (dem "zweiten Druckniveau"). Vor Beginn des Entladebetriebs wird der Hauptluftverdichter vom Antrieb abgekoppelt und damit stillgelegt; dies erfordert hohen apparativen und betriebstechnischen Aufwand. Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, den apparativen Aufwand für das kombinierte System zu verringern.
Diese Aufgabe wird durch die Kombination der Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst. Dabei läuft der Hauptluftverdichter auch in der zweiten Betriebsweise, dem Entladebetrieb. Die aufwändige Maschine kann damit in allen Betriebsphasen des kombinierten Systems genutzt werden; andere Systeme zur Verdichtung von
Verbrennungsluft können kleiner und kostengünstiger ausgestaltet oder im besten Fall ganz weggelassen werden. Bei der Erfindung wird die Wärme, die im Entladebetrieb zum Entladen des
Kältespeichers benötigt wird, mindestens teilweise durch im Hauptluftverdichter erzeugte Luft eingebracht. Bei der Erfindung sind das erste und das zweite Druckniveau unterschiedlich. Das "erste Druckniveau" liegt zwischen 4 und 10 bar, vorzugsweise zwischen 4 und 8 bar und das "zweite Druckniveau" oberhalb von 10 bar, vorzugsweise zwischen 12 und 70 bar. Diese Druckdifferenz wird insbesondere durch einen ersten Nachverdichter zur Nachverdichtung von im Hauptluftverdichter verdichteter Druckluft auf das zweite Druckniveau erzeugt. Der erste Nachverdichter ist Teil des "Luftverdichtungssystems". Im Normalbetrieb wird die gesamte Luft aus dem Hauptluftverdichter in den ersten Nachverdichter eingeleitet.
Zusätzlich wird bei der Erfindung die Energiespeicherkapazität des Systems durch den Einsatz mindestens eines Kaltverdichters erhöht, während bei dem bekannten System zwar auch ein Kaltverdichter eingesetzt wird, dieser aber nur im Ladebetrieb eingesetzt wird. Dieser Kaltverdichter dient dazu, in der zweiten Betriebsweise mindestens ein Teil des ersten Druckluftstroms in dem Kältespeichersystem auf das zweite
Druckniveau (und in manchen Ausführungsformen über das zweite Druckniveau hinaus auf ein höheres Druckniveau) gebracht werden. Hierzu werden nicht ausschließlich übliche warme Gasverdichter verwendet, deren Kompressionswärme in einem
Nachkühler entfernt wird. Im Rahmen der Erfindung wird dazu ein Kaltverdichters eingesetzt. Unter einem "Kaltverdichter" wird hier ein Gasverdichter verstanden, dessen Eintrittstemperatur unterhalb von 240 K liegt. Selbstverständlich kann das Kältespeichersystem der Erfindung auch zwei oder mehr Kaltverdichter aufweisen.
In der zweiten Betriebsweise (dem Entladebetrieb) kann der erste Druckluftstrom nur durch einen ersten Teil des im Hauptluftverdichter erzeugten Hauptdruckluftstroms gebildet werden. Der Rest - oder ein Teil davon - kann direkt (das heißt an dem
Kältespeichersystem vorbei) in die Verbrennungseinheit geleitet werden.
Beispielsweise reicht es im Rahmen der Erfindung aus, in dem Kraftwerk eine
Verbrennungsturbine einzusetzen, die nicht mit einem Luftverdichter gekoppelt ist. Unter einer "Verbrennungsturbine" wird hier ein System verstanden, in dem ähnlich wie in einem klassischen Gasturbinensystem Verbrennungsabgas in einer Turbine
(Expander) arbeitsleistend entspannt wird, um in einem mit der Turbine gekoppelten Generator elektrische Energie zu erzeugen. Im Gegensatz zu einem klassischen Gasturbinensystem aus Gasturbinen-Brennkammer, Gasturbinen-Expander und Gasturbinen-Verdichter zur Verdichtung der Verbrennungsluft ist eine
"Verbrennungsturbine" jedoch nicht mechanisch an einen Verdichter gekoppelt, sondern überträgt die gewonnene mechanische Energie vollständig oder praktisch vollständig an einen Generator zur Erzeugung elektrischer Energie. Die in der
Verbrennungsturbine durch arbeitsleistende Entspannung des Verbrennungsgases erzeugte mechanische Energie wird also im Rahmen des Wirkungsgrads der Maschine vollständig oder im Wesentlichen vollständig in elektrische Energie umgewandelt.
In dieser besonders bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung übernimmt der
Hauptluftverdichter für das Kältespeichersystem auch vollständig die Funktion der Verdichtung der Verbrennungsluft für das Kraftwerk.
Vorzugsweise wird in dem Kältespeichersystem, genauer in den Mitteln zur Erzeugung von Kälte aus Druckluft, zumindest in der ersten Betriebsweise (Ladebetrieb) Kälte durch arbeitsleistende Entspannung von Luft gewonnen. Dazu wird mindestens ein Teil (der "erste Teilstrom") des ersten Druckluftstroms in eine Luftturbine eingeleitet. Diese treibt einen "zweiten Nachverdichter" für mindestens einen Teil (den "zweiten
Teilstrom") des ersten Druckluftstroms an. Vorzugsweise umfasst der zweite Teilstrom den ersten Teilstrom, das heißt der Nachverdichter erhöht den Eintrittsdruck der Luftturbine und damit die dort erzeugte Kälteleistung, ohne dass zusätzliche Energie von außen eingebracht werden muss. Es können ein oder mehrere weitere
Nachverdichter vorgesehen sein, die mit dem zweiten Nachverdichter parallel oder seriell verbunden sind und ebenfalls durch arbeitsleistende Entspannung von Luft in einer Luftturbine oder durch von außen eingebrachte Energie (beispielsweise einen Elektromotor) angetrieben werden. Beispielsweise kann das Kältespeichersystem zwei Turbinen-Nachverdichter-Kombinationen und zusätzlich einen extern angetriebenen Nachverdichter aufweisen; letzterer kann auch als Kreislaufverdichter ausgebildet sein. In vielen Fällen ist es bei der Erfindung möglich, in der ersten Betriebsweise ohne einen weiteren extern angetriebenen Verdichter auszukommen; die gesamte externe Energie, die in das Kältespeichersystem fließt, stammt dann aus dem Hauptluftverdichter. Ein Beispiel hierfür ist ein Kältespeichersystem, bei dem in der ersten Betriebsweise nur ein einziger Nachverdichter für Luft läuft, der von einer Luftturbine angetrieben wird. Das Kältespeichersystem der Erfindung kann insbesondere als Flüssigluft- Speichersystem gemäß Patentanspruch 5 ausgebildet sein. Hier bei wird die gespeicherte Flüssigluft in der zweiten Betriebsweise auf einen hohen Druck gebracht, der mindestens auf dem zweiten Druckniveau liegt, und unter diesem hohen Druck verdampft oder pseudo-verdampft. Derartige Kältespeichersysteme sind an sich in den älteren europäischen Patentanmeldungen EP 2604824 A1 , EP 2662552 A1 ,
12004833.5 und den dazu korrespondierenden Patentanmeldungen beschrieben.
Bei dem Flüssigluft-Speichersystem sind die "Mittel zur Erzeugung von Kälte aus Druckluft" als Luftverflüssiger ausgebildet, die "Mittel zur Erzeugung eines
Druckluftstroms auf dem zweiten Druckniveau" als Luftverdampfer.
Die Flüssigluft kann bei der Erfindung drucklos (also unter Umgebungsdruck) gespeichert werden. Alternativ wird sie bei eine erhöhten Druck gespeichert, vorzugsweise im Bereich von 3 bis 25 bar, beispielsweise bei 4, 6, 8 oder 16 bar.
Im Rahmen der Erfindung kann der Luftverdampfer eine Luftturbine aufweisen, in der in der zweiten Betriebsweise mindestens ein Teil der (pseudo-)verdampften Luft von einem vierten Druckniveau auf das zweite Druckniveau arbeitsleistend entspannt wird, wobei die Luftturbine insbesondere an einen elektrischen Generator oder an eine kalte Maschine zur Erhöhung des Drucks eines Luftstroms in der zweiten Betriebsweise mechanisch gekoppelt ist. Es können bei der Erfindung auch zwei oder mehr
Luftturbinen eingesetzt werden.
Dazu wird die Flüssigluft vor ihrer (Pseudo-)Verdampfung auf ein viertes Druckniveau gebracht, das auf mehr als 42 bar, vorzugsweise auf mehr als 63 bar liegt. Eine obere Grenze für das vierte Druckniveau wird durch die Betriebsparameter der Luftturbine gebildet. Die Luftturbine kann auch als heiße Turbine ausgebildet sein, deren
Eintrittstemperatur über der Umgebungstemperatur liegt (hot gas expander). Es können auch mehrere derartige Luftturbinen im Luftverdampfer vorgesehen sein, beispielsweise für jede kalte Maschine einer. Unter "kalter Maschine" wird hier eine Maschine zur Druckerhöhung eines Luftstroms verstanden, deren Eintrittstemperatur deutlich unterhalb der Umgebungstemperatur liegt, insbesondere unterhalb von 240 K. Dabei kann es sich um einen Kaltverdichter für gasförmige Luft oder um eine Pumpe für Flüssigluft handeln.
In einer alternativen Ausgestaltung der Erfindung wird in dem Kältespeichersystem in der ersten Betriebsweise ein flüssiges Speicherfluid abgekühlt und in einen kalten Tank eingeleitet wird und in der zweiten Betriebsweise flüssiges Speicherfluid aus dem kalten Tank entnommen und angewärmt. Dabei ist es sinnvoll, das angewärmte flüssige Speicherfluid in einem zweiten, warmen Tank zu speichern. Auf das beziehungsweise von dem Speicherfluid wird dabei lediglich fühlbare Wärme übertragen, das heißt es erfährt weder beim Abkühlen noch beim Anwärmen einen Phasenübergang.
Das Abkühlen und Anwärmen des Speicherfluids wird dabei zwischen zwei
Temperaturniveaus durchgeführt. Das erste, niedrigere Temperaturniveau T1 kann dabei im Bereich von 78 bis 120 K, vorzugsweise 78 bis 100 K liegen, das zweite, höhere Temperaturniveau T2 im Bereich von 130 bis 200 K, vorzugsweise
130 bis180 K.
In einer speziellen Ausführungsform dieser Variante der Erfindung wird ein
Kältespeichersystem, in dem zwei Speicherfluide eingesetzt werden, wie es zum Beispiel in WO 2014026738 A1 und den dazu korrespondierenden Patentanmeldungen beschrieben ist.
Eine weitere, bevorzugte Alternative nutzt einen Regenerator als
Kältespeichereinrichtung (Patentanspruch 8). Auch hier wird in der ersten
Betriebsweise (A) der "erste Druckluftstrom" nicht verflüssigt, sondern lediglich abgekühlt. Diese Kälte wird nicht als tiefkalte Flüssigluft, sondern in einem Feststoff, der Speichermasse des Regenerators gespeichert. Die Erfindung betrifft außerdem eine Vorrichtung gemäß Patentanspruch 1 1 . Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann durch Vorrichtungsmerkmale ergänzt werden, die den Merkmalen der abhängigen Verfahrensansprüche entsprechen.
Die Erfindung sowie weitere Einzelheiten der Erfindung werden im Folgenden anhand von in den Zeichnungen schematisch dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Hierbei zeigen:
Figur 1 das Grundprinzip der Erfindung mit mindestens drei - hier fünf -
Betriebsweisen,
Figur 2 ein erstes Ausführungsbeispiel der Erfindung, bei dem das
Kältespeichersystem als Luftverflüssigungs- und
-Verdampfungssystem ausgebildet ist,
Figuren 3 bis 5 drei alternative Ausführungsformen eines Luftverdampfers zum
Einsatz in einem System nach Figur 2,
Figuren 6 bis 12 weitere Ausführungsbeispiele mit abweichenden
Kältespeichersystemen,
Figuren 13 bis 17 drei alternative Ausführungsformen eines Kraftwerks zum Einsatz in jedem der vorangegangenen Ausführungsbeispiele und Figur 18 eine alternative Ausführungsform eines Luftverdampfers.
In den verschiedenen Zeichnungen tragen einander entsprechende Bauteile und Verfahrensschritte dieselben Bezugszeichen. Die jeweils nicht in Betrieb befindlichen Teile des Systems sind durchgestrichen. Zwar wird in allen Ausführungsbeispielen kein weiterer größerer Luftverbraucher von der Luftverdichtungseinheit versorgt (was ohne Weiteres möglich wäre), allerdings liefert die Luftverdichtungseinheit kleinere
Luftmengen zu anderen Zwecken (beispielsweise Instrumentenluft). In den
Zeichnungen ist aber nur der "Hauptdruckluftstrom" dargestellt, der das Kraftwerk und/oder das Kältespeichersystem versorgt. Das "erste Druckniveau" liegt bei den Ausführungsbeispielen bei ca. 5 bar, das "zweite Druckniveau" bei ca. 17 bar.
Das in der Figur 1 grob schematisch dargestellte kombinierte System gemäß der Erfindung weist ein Luftverdichtungssystem 100, ein Kältespeichersystem 200 und ein Kraftwerk 300 auf. Das Luftverdichtungssystem 100 umfasst einen Hauptluftverdichter 2 und einen ersten Nachverdichter 10, das Kältespeichersystem 200 Mittel 201 zur Erzeugung von Kälte aus Druckluft, Mittel 202 zum Speichern von dabei erzeugter Kälte und Mittel 203 zur Erzeugung eines Druckluftstroms auf einem zweiten, höheren Druckniveau. Das Kraftwerk 300 weist eine Verbrennungseinheit und eine
Verbrennungsturbine auf, die mit einem elektrischen Generator verbunden ist (in Figur 1 nicht im Einzelnen dargestellt).
In Figur 1 sind drei Betriebsweisen dargestellt:
A: eine "erste Betriebsweise" (reiner Ladebetrieb),
B: eine "zweite Betriebsweise" (reiner Entladebetrieb) und
C: eine "dritte Betriebsweise" (Normalbetrieb - reine Energieerzeugung)
A': eine modifizierte "erste Betriebsweise" (Ladebetrieb kombiniert mit
Energieerzeugung)
B': eine modifizierte "zweite Betriebsweise" (Entladebetrieb kombiniert mit
Verbrennungsluft direkt aus dem Hauptluftverdichter)
In der ersten Betriebsweise A sind der erste Nachverdichter 10, das Kraftwerk 300 und die Mittel 203 zur Erzeugung eines Druckluftstroms außer Betrieb. Es wird
ausschließlich der Kältespeicher 202 aufgeladen. Atmosphärische Luft 99 wird in dem Hauptluftverdichter 2 auf das erste Druckniveau verdichtet. Der "Hauptdruckluftstrom" 101 , wird vollständig als "erster Druckluftstrom" in die Mittel 201 zur Erzeugung von Kälte aus Druckluft eingeleitet, wobei dort erzeugte Kälte in dem Kältespeichermittel 202 gespeichert wird. In der zweiten Betriebsweise B sind der erste Nachverdichter 10, und die Mittel 201 zur Erzeugung von Kälte aus Druckluft außer Betrieb. Es wird ausschließlich der
Kältespeicher 202 entladen. Atmosphärische Luft 99 wird in dem Hauptluftverdichter 2 auf das erste Druckniveau verdichtet. Der "Hauptdruckluftstrom" 101 , wird vollständig als "erster Druckluftstrom" in die Mittel 203 zur Erzeugung zur Erzeugung eines Druckluftstroms mit Hilfe der in dem Kältespeicher 202 gespeicherten Kälte eingeleitet. Der dabei erzeugte "dritte Druckluftstrom" 204 befindet sich auf dem zweiten
Druckniveau und wird als Verbrennungsluft in das Kraftwerk (300) eingeleitet. Das arbeitsleistend entspannte Verbrennungsgas 301 wird in die Atmosphäre (amb) abgeblasen, nach entsprechender Reinigung, falls erforderlich, beziehungsweise nach Abtrennung von Kohlendioxid. In der dritten Betriebsweise C ist das Kältespeichersystem 200 komplett außer Betrieb. (Natürlich bleibt die im Kältespeicher 202 gespeicherte Kälte bis auf natürliche Verluste erhalten; der Kältespeicher wird allerdings weder aufgeladen noch gezielt entladen.) Es wird nur das Kraftwerk betrieben, der Hauptluftverdichter 2, läuft jedoch weiter. Der gesamte Hauptdruckluftstrom 101 wird als "zweiter Druckluftstrom" 103 in dem ersten Nachverdichter 10 auf das zweite Druckniveau nachverdichtet und in dem Kraftwerk 300 als Verbrennungsluft 104 eingesetzt. Der Luftstrom 104 stellt in dieser
Betriebsweise vorzugsweise die einzige Quelle für Verbrennungsluft des Kraftwerks 300 dar.
In der modifizierten ersten Betriebsweise A' sind lediglich die Mittel 203 zur Erzeugung eines Druckluftstroms außer Betrieb. Der Hauptdruckluftstrom 101 wird zwischen dem Kältespeichersystem 200 (erster Druckluftstrom 102) und dem Kraftwerk (zweiter Druckluftstrom 103) aufgeteilt. Damit wird gleichzeitig der Kältespeicher 202
aufgeladen und im Kraftwerk 300 elektrische Energie erzeugt. Grundsätzlich kann jeder beliebige Anteil des Hauptdruckluftstroms 101 als erster Druckluftstrom 102 in das Kältespeichersystem 200 eingeleitet werden. Für längere Zeit werden
vorzugsweise 50 bis 100 % in das Kältespeichersystem eingeleitet. Werte außerhalb dieses Zahlenbereichs werden in der Regel nur kurzzeitig beim Übergang zum
Normalbetrieb C oder zum reinen Ladebetrieb A erreicht.
In der modifizierten zweiten Betriebsweise B' sind lediglich die Mittel 201 zur
Erzeugung von Kälte aus Druckluft außer Betrieb. Der Hauptdruckluftstrom 101 wird ebenfalls zwischen dem Kältespeichersystem 200 (erster Druckluftstrom 102 - hier nach 203) und dem Kraftwerk (zweiter Druckluftstrom 103) aufgeteilt. Damit wird gleichzeitig der Kältespeicher 202 entladen und das Kraftwerk 300 mit zusätzlicher Verbrennungsluft 104 beaufschlagt, die (bis auf die Nachverdichtung 10) direkt auf dem Hauptluftverdichter 2 kommt. Grundsätzlich kann jeder beliebige Anteil des Hauptdruckluftstroms 101 als erster Druckluftstrom 102 in das Kältespeichersystem 200 eingeleitet werden. Für längere Zeit werden vorzugsweise 50 bis 100 % in das Kältespeichersystem eingeleitet. Werte außerhalb dieses Zahlenbereichs werden in der Regel nur kurzzeitig beim Übergang zum Normalbetrieb C oder zum reinen
Entladebetrieb B erreicht. Die Mittel 201 zur Erzeugung von Kälte aus Druckluft und die Mittel 203 zur Erzeugung eines Druckluftstroms können, wie in Figur 1 dargestellt, durch getrennte
Apparategruppen gebildet werden. Vorzugsweise sind jedoch ein, mehrere oder alle Apparateteile der Mittel 201 zur Erzeugung von Kälte aus Druckluft gleichzeitig
Bestandteil der Mittel 203 zur Erzeugung eines Druckluftstroms; diese Apparateteile werden dann sowohl in der ersten wie in der zweiten Betriebsweise genutzt. Damit verringert sich der apparative Aufwand weiter.
Die Figur 2 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel der Erfindung, bei dem das
Kältespeichersystem 200 als Luftverflüssigungs- und -Verdampfungssystem
ausgebildet ist. Es sind die Betriebsfälle A bis C aus Figur 1 dargestellt; die
Betriebsfälle A' und B' sind hier natürlich ebenfalls möglich. Auch Figur 2 ist noch schematisch; es sind aber wesentlich mehr Einzelheiten dargestellt, die in Figur 1 weggelassen wurden oder nur pauschal gezeigt sind. In Figur 2 sind für alle drei dargestellten Betriebsfälle alle vorhandenen Leitungen eingezeichnet; es werden aber jeweils nur die fett dargestellten durchflössen, die übrigen sind in dem jeweiligen Betriebsfall außer Betrieb.
Das Luftverdichtungssystem 100 weist - neben der Luftansaugleitung 99 und dem eigentlichen Hauptluftverdichter 2 für die Gesamtluft - ein Filter 1 , eine Vorkühlung 3 und einen Nachkühler 98 für den Nachverdichter 10 auf. Hauptluftverdichter 2 und Nachverdichter 10 sind jeweils einsträngig ausgebildet. Der Hauptluftverdichter 2 weist drei bis vier Stufen, der Nachverdichter 10 ein bis drei Stufen auf. In die Leitung 102/102a für den "ersten Druckluftstrom" ist eine Reinigungsvorrichtung 4 eingebaut, die insbesondere Wasser und Kohlendioxid entfernt, bevor dieser Luftstrom in den kalten Teil des Kältespeichersystems 200 eintritt. Diese Anlagenteile wie auch die im Folgenden beschriebenen Elemente des Kältespeichersystems sind bei dem
Ausführungsbeispiel so ausgebildet, wie es in der Luftverflüssigungstechnologie und bei Tieftemperatur-Luftzerlegungsanlagen üblich ist.
In dem Ausführungsbeispiel der Figur 2 sind die "Mittel zur Erzeugung von Kälte aus Druckluft" als Luftverflüssiger 201 ausgebildet, die "Mittel zum Speichern von dabei erzeugter Kälte" als Flüssiglufttank 202 und die "Mittel zur Erzeugung eines
Druckluftstroms auf dem zweiten Druckniveau" als Luftverdampfer 203. In dem Beispiel von Figur 2 sind Luftverflüssiger 201 und Luftverdampfer 203 vollkommen separat. In der ersten Betriebsweise A (reiner Ladebetrieb) wird wiederum ausschließlich der Kältespeicher 202 aufgeladen und es ist nur der Luftverflüssiger 201 in Betrieb. Der Hauptdruckluftstrom 101 wird hier vollständig als erster Druckluftstrom 102 durch die Reinigungsvorrichtung 4 und über Leitung 102a dem Luftverflüssiger 201 zugeführt.
Ein erster Teil 210 (der gleichzeitig den "ersten Teilstrom" und den "zweiten Teilstrom" im Sinne der Patentansprüche bilden kann) wird in einem zweiten Nachverdichter 5a mit Nachkühler 5b auf einen Druck von 6 bis 10 bar nachverdichtet, in einem
Nebenwärmetauscher 26 abgekühlt und in einer ersten Luftturbine 5 arbeitsleistend auf knapp über Atmosphärendruck entspannt. Die erste Luftturbine 5 ist mit dem zweiten Nachverdichter 5a mechanisch gekoppelt. Die arbeitsleistend entspannte Luft wird im kalten Teil eines Hauptwärmetauschers 21 und weiter im Nebenwärmetauscher 26 auf etwa Umgebungstemperatur angewärmt und schließlich über Leitung 211 in die Atmosphäre abgeblasen oder für Trocknungszwecke verwendet.
Der Rest 212 des gereinigten ersten Druckluftstroms 102a wird in einem extern von einem Elektromotor angetriebenen Kreislaufverdichter 11 mit Nachkühler 1 1 b und in einem dritten Nachverdichter 12a mit Nachkühler 12b auf einen noch höheres drittes Druckniveau von 30 bis 60 bar weiterverdichtet und schließlich zu einem ersten Teil in einer zweiten Luftturbine 12, die den dritten Nachverdichter 12a antreibt,
arbeitsleistend auf das zweite Druckniveau entspannt, im Hauptwärmetauscher 21 wieder angewärmt und zum Eintritt des Kreisiaufverdichters 11 zurückgeführt. Der Rest der Druckluft auf dem dritten Druckniveau wird in dem Hauptwärmetauscher 21 abgekühlt und pseudo-verflüssigt, in einem ersten Drosselventil 22 auf das zweite Druckniveau entspannt und in einen Abscheider (Phasentrenner) 23 eingeleitet. Die Flüssigluft aus dem Abscheider 23 wird in einem Unterkühler 24 weiter abgekühlt und zum größten Teil in den Flüssiglufttank 202 eingeleitet, der in diesem
Ausführungsbeispiel unter Überdruck steht (zweites Druckniveau). Flashgas 213 aus dem Abscheider 23 wird im Hauptwärmetauscher 21 auf etwa Umgebungstemperatur angewärmt und zum Eintritt des Kreisiaufverdichters 1 zurückgeführt. Ein kleiner Teil der unterkühlten Flüssigluft wird in einem zweiten Drosselventil 25 weiter auf etwa Atmosphärendruck entspannt, im Unterkühler 24 angewärmt und mit dem Abgas der ersten Luftturbine 5 vermischt. In der zweiten Betriebsweise B (reiner Entladebetrieb) werden das Kraftwerk 300 und der Luftverdampfer 203, wobei das Kraftwerk seine Verbrennungsluft ausschließlich aus dem Luftverdampfer erhält. Der Hauptdruckluftstrom 101 wird hier vollständig als erster Druckluftstrom 102 durch die Reinigungsvorrichtung 4 und über Leitung 102a dem Luftverdampfer 203 zugeführt und liefert die Wärme für die Verdampfung und Anwärmung der gespeicherten Flüssigluft und bildet außerdem selbst einen Teil der Verbrennungsluft.
Ein erster Teil des gereinigten ersten Druckluftstroms102a wird in einem weiteren Nebenwärmetauscher 29 und einem weiteren Hauptwärmetauscher 28 abgekühlt, ohne verflüssigt zu werden, in einem ersten Kaltverdichter 31 auf das zweite
Druckniveau gebracht, in dem Nebenwärmetauscher 29 wieder auf
Umgebungstemperatur angewärmt und in die Verbrennungsluftleitung 204 eingespeist. Ein zweiter Teil wird in dem Hauptwärmetauscher 28 auf eine Zwischentemperatur (in dem Beispiel 150 K) abgekühlt und in einem zweiten Kaltverdichter 32 auf das zweite Druckniveau gebracht und in die Verbrennungsluftleitung 204 eingespeist.
Flüssigluft wird aus dem Flüssiglufttank 202 entnommen, in einer Pumpe 27 auf das zweite Druckniveau gebracht und der Verdampfung und Anwärmung im
Hauptwärmetauscher 28 zugeführt.
Das Kraftwerk enthält eine Verbrennungsturbine, die eine Brennkammer
(Verbrennungseinheit) 42, einen Expander 44 für Verbrennungsgas 303 und einen Generator 43 zur Erzeugung elektrischer Energie aufweist, aber keinen Verdichter für Verbrennungsluft. Vielmehr wird die gesamte mechanische Energie, die in dem
Expander 44 gewonnen wird über eine mechanische Kopplung auf den Generator 43 übertragen.
Die Verbrennungsluft 204 wird in einem Erhitzer 41 gegen entspanntes
Verbrennungsgas 304 angewärmt und tritt in eine Brennkammer (Verbrennungseinheit) 42 ein, in der ein Brennstoff (Fuel) 302 verbrannt wird, der insbesondere durch Erdgas gebildet wird. Das heiße Verbrennungsgas 303 wird in der Verbrennungsturbine arbeitsleistend auf etwa Atmosphärendruck entspannt. Seine Abwärme wird in dem Erhitzer 41 genutzt; eine Dampferzeugung ist nicht vorgesehen. In der dritten Betriebsweise C (Normalbetrieb - reiner Kraftwerksbetrieb) ist das Kältespeichersystem 200 außer Betrieb, wobei der Flüssiglufttank 202 seine
Speicherfunktion natürlich weiterhin erfüllt. Die Verbrennungsluft für das Kraftwerk 300 kommt hier ausschließlich über die Leitung 104 von dem Luftverdichtungssystem 100. Dort wird die gesamte Hauptdruckstrom 101 in dem ersten Nachverdichter 10 auf das zweite Druckniveau nachverdichtet.
Selbstverständlich sind mit dem in Figur 2 dargestellten kombinierten System auch die in Figur 1 dargestellten gemischten Betriebsweise A' und B' möglich.
In den fett dargestellten Pfeilen werden die Energieflüsse in das kombinierte System sowie aus dem kombinierten System heraus angedeutet. In allen drei Betriebsweisen kommt die Antriebsenergie für das Luftverdichtungssystem von außen. Der
Hauptluftverdichter 2 und der erste Nachverdichter 10 (und auch der
Kreislaufverdichter 1) können auf die gleiche oder auf verschiedene Weise
angetrieben werden über eine Dampfturbine, eine Gasturbine, einen Elektromotor oder einen anderen Motor, beispielsweise einen Dieselmotor.
In einer Betriebsweise mit Ladebetrieb (A, A') werden die beiden Nachverdichter 5a und 12a von Luftturbinen angetrieben (also indirekt vom Hauptluftverdichter 2 und dessen Antrieb), benötigen also keinen zusätzlichen Energieimport. In den
Kreislaufverdichter 11 muss allerdings weitere Energie von außen gesteckt werden.
Der Entladebetrieb (B, B') kommt regelmäßig bei erhöhtem Strompreis zum Einsatz. Auf den ersten Blick erscheint es widersinnig, dazu drei Maschinen 27, 31 , 32 zu verwenden, die mit externer Energie angetrieben werden. Diese Maschinen werden jedoch alle im Kalten betrieben. Die Ströme, deren Druck erhöht wird, weisen ein wesentlich geringeres Volumen als im Warmen auf. Daher wird hier nur eine sehr geringe Energiemenge importiert, wie in Figur 2 durch die entsprechend kleineren Pfeile angedeutet ist.
Beim Entladebetrieb und beim Normalbetrieb wird Energie in Form der im Generator gewonnenen elektrischen Energie exportiert, also das eigentliche Endprodukt des kombinierten Systems zur Erzeugung elektrischer Energie. In Figur 2 sind die Paare 12/26 beziehungsweise 28/29 aus Nebenwärmetauscher und Hauptwärmetauscher jeweils durch ein Paar von separaten
Plattenwärmetauscherblöcken realisiert. Die beiden Paare können jeweils durch einen integrierten Hauptwärmetauscher realisiert werden, der beide Funktionen in sich vereint.
In den Figuren 3 bis 5 sind drei weitere Ausführungsform eines Luftverdampfers dargestellt, die jeweils den Luftverdampfer in Figur 2 ersetzen können. Figur 3 zeigt eine Ausführungsform des Luftverdampfers, die ohne eine externe Energiezufuhr auskommt, die über den Hauptluftverdichter hinausgeht. Die kalten Maschinen 27, 31 , 32 werden jeweils von einer Luftturbine 27t, 31t beziehungsweise 32t angetrieben. Dazu wird die Flüssigluft in der Pumpe 27 auf ein viertes Druckniveau gebracht, das deutlich höher als das zweite Druckniveau ist und in diesem und den folgenden Ausführungsbeispielen bei 65 bar liegt. Die dabei erzeugte Luft besonders hohen Drucks wird nach Anwärmung im Hauptwärmetauscher 28 auf die drei parallel geschalteten Turbinen 27t, 31t, 32t verteilt und dort auf das zweite Druckniveau arbeitsleistend entspannt. Die arbeitsleistend entspannte Luft wird wieder
zusammengeführt, im Hauptwärmetauscher 28 angewärmt und schließlich in die Verbrennungsluftleitung 204 eingespeist.
Selbstverständlich sind auch Zwischenformen zwischen den Varianten des
Luftverdampfers der Figuren 2 und 3 möglich, indem beispielsweise nur eine oder zwei der kalten Maschinen 27, 31 und 32 der Figur 2 mit Turbinenantrieb gemäß Figur 3 ausgestattet sind.
In Figur 4 wird die Flüssigluft in der Pumpe ebenfalls auf das oben erwähnte vierte Druckniveau gebracht. Die dabei erzeugte Luft besonders hohen Drucks wird nach Anwärmung im Hauptwärmetauscher 28 auf etwa Umgebungstemperatur in der Turbine 204 auf das zweite Druckniveau arbeitsleistend entspannt. Die arbeitsleistend entspannte Luft wird im Hauptwärmetauscher 28 angewärmt und schließlich in die Verbrennungsluftleitung 204 eingespeist. Die Luftturbine 204 ist in Figur 4 mit einem Generator gekoppelt, der in der zweiten Betriebsweise (Entladebetrieb) zusätzliche elektrische Energie liefert. Die kalten Maschinen 27, 31 und 32 verbrauchen analog zu Figur 2 Energie. Figur 5 entspricht weitgehend Figur 4, allerdings wird die Luft auf dem vierten
Druckniveau vor der arbeitsleistenden Entspannung 240 lediglich auf eine
Zwischentemperatur von 140 bis 290 K, vorzugsweise 200 bis 290 K angewärmt. Die Luftturbine 240 weist also eine niedrigere Eintrittstemperatur (und auch eine niedrigere Austrittstemperatur) als in Figur 4 auf.
Alternativ kann bei der Erfindung auch ein System als Kältespeichersystem eingesetzt werden, in dem Luftverflüssigung und Luftverdampfung mindestens teilweise in denselben Apparaten durchgeführt wird. Ein solches System ist beispielsweise in der älteren Patentanmeldung EP 12004833.5 und den dazu korrespondierenden
Patentanmeldungen beschrieben.
In dem Ausführungsbeispiel von Figur 6 wird in dem Kältespeichersystem ähnlich wie in den Figuren 2 bis 5 in der ersten Betriebsweise (A) durch arbeitsleistende
Entspannung eines Teils des "ersten Druckluftstroms" 102 erzeugt. Auf eine Reinigung (Trocknung) des ersten Druckluftstroms in der ersten Betriebsweise kann in diesem Beispiel verzichtet werden.
Die "Mittel 201 zur Erzeugung von Kälte aus Druckluft" weisen eine Luftturbine 13t und einen Nachverdichter 13a mit Nachkühler 13b auf. Die "Mittel 203 zur Erzeugung eines Druckluftstroms auf dem zweiten Druckniveau" enthalten einen extern angetriebenen Nachverdichter 31. Ein warmer Wärmetauscher 21 und ein kalter Wärmetauscher 26 sind Bestandteil beider "Mittel" 201 , 203. Der Kältespeicher 202 ist im Gegensatz zu den Figuren 2 bis 5 nicht als Flüssiglufttank ausgebildet, sondern als Paar von
Flüssigtanks 73/74 zur Speicherung eines flüssigen Speicherfluids bei zwei unterschiedlichen Temperaturniveaus T1 und T2 mit T2 > T1.
In der ersten Betriebsweise (A) wird Speicherfluid aus dem warmen Tank 73 auf etwa T1 abgekühlt und in den kalten Tank 74 eingeleitet. Als Speicherfluid wird in dem Beispiel Flüssigpropan eingesetzt, T1 beträgt ungefähr 90 K, T2 ungefähr 150 K. Die dazu benötigte (fühlbare) Kälte wird in der Luftturbine 13t erzeugt. Der erste Druckluftstrom 102 wird zunächst in dem Nachverdichter 13a mit Nachkühler 13b von dem zweiten auf das dritte Druckniveau nachverdichtet, anschließend im warmen Wärmetauscher 21 auf eine Temperatur von beispielsweise 155 K abgekühlt und in der Luftturbine 13t arbeitsleistend entspannt auf etwa Atmosphärendruck. Die Luft tritt bei einer Temperatur von etwa 85 K in den kalten Wärmetauscher 26 ein und wird dort und weiter im warmen Wärmetauscher 21 auf etwa Umgebungstemperatur angewärmt. Sie kann in die dann in die Atmosphäre abgelassen oder, wie in Figur 6 dargestellt, zum Eintritt des Hauptluftverdichters 2 zurückgeführt werden; im Extremfall wird die Luft lediglich im Kreis gefahren und der gesamte Hauptdruckluftstrom 101 wird als erster Druckluftstrom 102 in das Kältespeichersystem geleitet (reiner Ladebetrieb).
Gleichzeitig wird in der ersten Betriebsweise Speicherfluid aus dem warmen Tank 73 mittels einer Pumpe 71 zum kalten Wärmetauscher 26 gefördert, dort von etwa T2 auf etwa T1 abgekühlt und schließlich in den kalten Tank 74 eingeleitet.
In der zweiten Betriebsweise (B - reiner Entladebetrieb) wird der gesamte
Hauptdruckluftstrom 101 als erster Druckluftstrom 102 durch die Reinigungsvorrichtung 4 geschickt und tritt als gereinigter erster Druckluftstrom 102a in das
Kältespeichersystem ein. Dort wird er in den beiden Wärmetauschern 21 und 26 abgekühlt, in einem Kaltverdichter 31 auf das zweite Druckniveau gebracht, im
Wärmetauscher 21 angewärmt und schließlich als "dritter Druckluftstrom" in die Verbrennungsluftleitung 204 eingeleitet. Ein kleiner Teil 206 kann gegebenenfalls einen Umweg über einen Regeneriergaserhitzer 6 und die Reinigungsvorrichtung 4 nehmen, wo er als Regeneriergas eingesetzt wird.
Gleichzeitig wird in der zweiten Betriebsweise Speicherfluid aus dem kalten Tank 74 mittels der Pumpe 71 zum kalten Wärmetauscher 26 gefördert, dort von etwa T1 auf etwa T2 angewärmt und schließlich in den warmen Tank 73 eingeleitet. Der "dritte Druckluftstrom" bildet in dem Betriebsfall B die gesamte Verbrennungsluft für das Kraftwerk 300.
Das System von Figur 6 kann auch in den modifizierten ersten und zweiten
Betriebsweise A' und B' der Figur 1 gefahren werden. In der dritten Betriebsweise C (Normalbetrieb - reiner Kraftwerksbetrieb) ist das Kältespeichersystem 200 außer Betrieb und der Flüssigkeitsstand in den Tanks 73, 74 bleibt konstant. Die Verbrennungsluft für das Kraftwerk 300 kommt hier ausschließlich über die Leitung 104 von dem Luftverdichtungssystem 100. Dort wird die gesamte Hauptdruckstrom 101 in dem ersten Nachverdichter 10 auf das zweite Druckniveau nachverdichtet.
Figur 7 zeigt ein kombiniertes System, das nur leicht von demjenigen der Figur 6 abweicht. Es ist hier lediglich der reine Ladebetrieb (A) dargestellt. Hier wird anstelle des Hauptluftverdichters 2 der erste Nachverdichter 10 zur Erzeugung des ersten Druckluftstroms 102 eingesetzt. Am Eintritt des ersten Nachverdichters 10 herrscht Atmosphärendruck. Hier wird der Kältespeicher quasi vom Nachverdichter aufgeladen.
Figur 8 unterscheidet sich ebenfalls nur im Ladebetrieb (A) von den Figuren 6 und 7, und zwar dadurch, dass sowohl der Hauptluftverdichter 2 als auch der erste
Nachverdichter 10 zur Erzeugung des ersten Druckluftstroms 102 eingesetzt werden. Hier wird der Kältekreislauf von beiden Verdichtern 2, 10 betrieben. Die Turbinen weisen gleiche Eintritts- und Austrittstemperaturen auf. Außerdem weisen die "Mittel 201 zur Erzeugung von Kälte aus Druckluft" eine zweite Turbinen-Nachverdichter-Kombination 12 auf. Diese ist turbinenseitig parallel und verdichterseitig seriell mit der ersten Turbinen-Nachverdichter-Kombination 13 verschaltet. Figur 9 unterscheidet sich von Figur 8 dadurch, dass die beiden Turbinen- Nachverdichter-Kombinationen 12, 13 auch verdichterseitig parallel geschaltet sind.
Figur 10 entspricht weitgehend Figur 6. Allerdings ist der Kältespeicher 200 als Regenerator-Kältespeicher ausgebildet. Die Speichermasse des Regenerators 28 wird in der ersten Betriebsweise (A) abgekühlt und in der zweiten Betriebsweise (B) wieder angewärmt. Kälteerzeugung und Erzeugung des dritten Druckluftstroms funktionieren analog zu Figur 6. Der Normalbetrieb unterscheidet sich nicht von Figur 6 (C).
Analog zu der Verdichterkonfiguration in den Figuren 7, 8 und 9 kann auch das Ausführungsbeispiel der Figur 10 dadurch abgewandelt werden, dass in der ersten Betriebsweise nur der erste Nachverdichter 10 oder sowohl der Hauptluftverdichter als auch der Nachverdichter 2 den "ersten Druckluftstrom" erzeugen, der in das
Kältespeichersystem eingeleitet wird. Werden dabei zwei Turbinen-Nachverdichter- Kombinationen eingesetzt, müssen dann auch zwei parallel geschaltete Regeneratoren beziehungsweise ein Regenerator mit zwei Durchgängen eingesetzt werden.
In Figur 11 ist der Kältespeicher 202 der Figuren 6 bis 9 im Detail dargestellt, und zwar in der ersten Betriebsweise (A) (mit Einspeisung kalter Luft in den Wärmetauscher 26) und in der zweiten Betriebsweise (B) (mit Einspeisung warmer Luft in den
Wärmetauscher 26). Während die Flüssigkeit aus einem Behälter 73/74 in den anderen 74/73 umgepumpt wird, wird der Dampf beziehungsweise das Gas aus dem Gasraum oberhalb der Flüssigkeit aus dem Empfängerbehälter 74/73 in den
Quellbehälter 73/74 geleitet. Der Gasraum der beiden Behälter 73/74 kann
beispielsweise mit einem nicht kondensierbaren Gas wie Stickstoff gefüllt sein.
Weitere Details des Regenerators 28 aus Figur 10 sind in Figur 12 gezeigt. Er weist Außenbehälter 120, eine Wärmeisolation 121 und einen Innenbehälter 122 auf, der mit einer porösen Masse 123 gefüllt ist, die eine hohe Wärmekapazität aufweist. In allen bisher gezeigten Ausführungsbeispielen kann eine der alternativen
Ausführungen des Kraftwerks 300 eingesetzt werden, wie sie in den Figuren 13 bis 18 dargestellt sind.
In Figur 13 wird auf den Wärmetauscher (Rekuperator) 41 der Figur 2 verzichtet und stattdessen ein Dampferzeugungssystem 46eingesetzt (HSRG = heat recovery steam generator - manchmal auch als Abhitzekessel bezeichnet), um weitere elektrische Energie mittels einer Dampfturbine zu erzeugen.
In Figur 14 wird über einen zusätzlichen Erhitzer 45 weitere Wärme in die
Verbrennungsluft eingekoppelt. Die Quelle dieser weiteren Wärme kann beliebig sein, beispielsweise Restwärme aus einem anderen Prozess, Wärme aus einem
Wärmespeicher oder einer Solaranlage. Dadurch kann bei gleicher
Energieerzeugungsrate gegenüber dem Kraftwerk 300 von Figur 2 Brennstoff gespart werden. Figur 15 zeigt drei Varianten eines Systems mit zwei Verbrennungsturbinen 44a, 44b, die beide an den Generator 43 gekoppelt sind.
In Figur 16 wird der Rekuperator 41 gleichzeitig für die Erhitzung von Regeneriergas 206 für die Reinigungseinrichtung 4 eingesetzt. Links ist ein Variante mit einem kombinierten Wärmetauscher 41 gezeigt, rechts ein andere, in der ausschließlich Zweistrom-Hochtemperaturwärmetauscher 41 , 41a und 41b eingesetzt werden.
Außerdem ist es möglich, während der zweiten Betriebsweise (Entladebetrieb)
Kompressionswärme 1700 des Hauptiuftverdichters über einen weiteren Erhitzer 47 die Verbrennungsluft einzukoppeln, wie es in Figur 17 skizziert ist.
Figur 18 zeigt eine Variante der Erfindung in der zweiten Betriebsweise, die auf die Systeme der Figuren 2 bis 5 angewendet werden kann. Dabei wird die Flüssigluft in der Pumpe 27 auf ein viertes Druckniveau von 40 bis 200 bar gebracht, in dem Erhitzer 41 durch indirekten Wärmeaustausch mit Verbrennungsgas auf eine Temperatur von beispielsweise 600°C erhitzt und mittels einer arbeitsleistenden Entspannung in einer heißen Luftturbine 1800 auf das zweite Druckniveau des Verbrennungsprozesses gebracht, wodurch zusätzliche elektrische Energie erzeugt wird.

Claims

Patentansprüche
Verfahren zur Erzeugung elektrischer Energie in einem kombinierten System aus Kraftwerk (300), Kältespeichersystem (200) und Luftverdichtungssystem (100), wobei
- das Luftverdichtungssystem (100) einen Hauptluftverdichter (2) zur Erzeugung eines Hauptdruckluftstroms (101) auf einem ersten Druckniveau aufweist,
- das Kraftwerk eine Verbrennungseinheit (42) aufweist, die ein
Verbrennungsgas erzeugt, aus dem elektrische Energie erzeugt wird,
- das Kältespeichersystem Mittel (201) zur Erzeugung von Kälte aus Druckluft, Mittel (202) zum Speichern von dabei erzeugter Kälte und Mittel (203) zur Erzeugung eines Druckluftstroms auf einem zweiten Druckniveau mit Hilfe der gespeicherten Kälte aufweist, wobei das zweite Druckniveau höher als das erste Druckniveau ist, und
wobei bei dem Verfahren
- in einer ersten Betriebsweise (Ladebetrieb A, A') ein erster Druckluftstrom (102, 102a) aus dem Luftverdichtungssystem (100) in das Kältespeichersystem (200) eingeleitet wird, um den Kältespeicher (202) aufzuladen,
- in einer zweiten Betriebsweise (Entladebetrieb B, B') der Kältespeicher (202) entladen wird und dabei ein dritter Druckluftstrom (204) erzeugt wird, der in die Verbrennungseinheit eingeleitet wird, und
- in einer dritten Betriebsweise (Normalbetrieb) der gesamte im
Hauptluftverdichter (2) erzeugte Hauptdruckluftstrom in die
Verbrennungseinheit (42) eingeleitet wird,
dadurch gekennzeichnet, dass
- die Verbrennungseinheit (42) auf dem zweiten Druckniveau betrieben wird,
- das Luftverdichtungssystem außerdem einen ersten Nachverdichter (10) zur Nachverdichtung von im Hauptluftverdichter (2) verdichteter Druckluft auf das zweite Druckniveau aufweist,
- in der dritten Betriebsweise (Normalbetrieb) der gesamte im Hauptluftverdichter (2) erzeugte Hauptdruckluftstrom vor der Einleitung in die Verbrennungseinheit in dem ersten Nachverdichter (10) auf das zweite Druckluftniveau
nachverdichtet wird,
- in der zweiten Betriebsweise (Entladebetrieb B, B') ein erster Druckluftstrom (102, 102a), der durch mindestens einen Teil des im Hauptluftverdichter (101) erzeugten Hauptdruckluftstroms (2) gebildet wird, in das Kältespeichersystem (200) eingeleitet wird, um den Kältespeicher (202) zu entladen und damit den dritten Druckluftstrom (204) auf dem zweiten Druckniveau zu erzeugen, der in die Verbrennungseinheit (42) eingeleitet wird, und dass
- die Mittel (203) zur Erzeugung eines Druckluftstroms auf dem zweiten
Druckniveau in dem Kältespeichersystem (201 ) einen Kaltverdichter (31 , 32) zur Nachverdichtung mindestens eines Teils des ersten Druckluftstroms (102, 102a) aufweisen. 2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass in der zweiten
Betriebsweise (Entladebetrieb B, B') der erste Druckluftstrom (102, 102a) nur durch einen ersten Teil des im Hauptluftverdichter (101) erzeugten
Hauptdruckluftstroms (2) gebildet wird. 3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass in der zweiten
Betriebsweise (Entladebetrieb B, B') ein zweiter Teil des im Hauptluftverdichter (101) erzeugten Hauptdruckluftstroms (2) an dem Kältespeichersystem (200) vorbeigeleitet und in die Verbrennungseinheit (42) eingeleitet wird. 4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Kraftwerk (300) das Verbrennungsgas aus der Verbrennungseinheit in einer Verbrennungsturbine arbeitsleistend entspannt wird, die an einen Generator zur Erzeugung elektrischer Energie, aber nicht an einen Luftverdichter gekoppelt ist. 5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel (201 ) zur Erzeugung von Kälte aus Druckluft eine Luftturbine umfassen und in der in der ersten Betriebsweise mindestens ein erster Teilstrom des ersten Druckluftstroms (102, 102a) arbeitsleistend entspannt wird, wobei die Luftturbine mechanisch an einen zweiten Nachverdichter gekoppelt ist, in dem in der ersten Betriebsweise mindestens ein zweiter Teilstrom des ersten Druckluftstroms nachverdichtet wird.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zum Speichern des Kältespeichersystems einen Flüssiglufttank (202) für tiefkalte Flüssigluft aufweisen, wobei - in der ersten Betriebsweise in den Mitteln (201) zur Erzeugung von Kälte aus Druckluft ein Teil des ersten Druckluftstroms verflüssigt und in den
Flüssiglufttank (202) eingeleitet wird und
- in der zweiten Betriebsweise Flüssigluft aus dem Flüssiglufttank (202)
entnommen und unter überatmosphärischem Druck in den Mitteln (203) zur Erzeugung eines Druckluftstroms auf dem zweiten Druckniveau verdampft oder pseudo-verdampft wird.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel (203) zur Erzeugung eines Druckluftstroms auf dem zweiten Druckniveau eine Luftturbine (31t, 32t; 240) aufweisen, in der in der zweiten Betriebsweise mindestens ein Teil der (pseudo-)verdampften Luft von einem vierten Druckniveau auf das zweite Druckniveau arbeitsleistend entspannt wird, wobei die Luftturbine insbesondere an einen elektrischen Generator oder an eine kalte Maschine (31, 32; 1800) zur Erhöhung des Drucks eines Luftstroms in der zweiten Betriebsweise mechanisch gekoppelt ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Kältespeichersystem (200)
- in der ersten Betriebsweise (A, A') ein flüssiges Speicherfluid abgekühlt (26) und in einen kalten Tank (74) eingeleitet wird und dass
- in der zweiten Betriebsweise (B, B') flüssiges Speicherfluid aus dem kalten Tank (74) entnommen und angewärmt (26) wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Kältespeichersystem (200) einen Regenerator (28, 29) aufweist, der in der ersten und in der zweiten Betriebsweise von mindestens einem Teil des ersten
Druckluftstroms (102, 102a) durchströmt wird.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Druckniveau höher als das erste Druckniveau ist. Vorrichtung zur Erzeugung elektrischer Energie mit einem kombinierten System aus Kraftwerk (300), Kältespeichersystem (200) und Luftverdichtungssystem (100), wobei
- das Luftverdichtungssystem (100) einen Hauptluftverdichter (2) zur Erzeugung eines Hauptdruckluftstroms (101) auf einem ersten Druckniveau aufweist,
- das Kraftwerk eine Verbrennungseinheit zur Erzeugung eines
Verbrennungsgases aufweist,
- das Kraftwerk Mittel zur Erzeugung elektrischer Energie aus dem
Verbrennungsgas aufweist,
- das Kältespeichersystem Mittel (201) zur Erzeugung von Kälte aus Druckluft , Mittel (202) zum Speichern von dabei erzeugter Kälte und Mittel (203) zur Erzeugung eines Druckluftstroms auf einem zweiten Druckniveau mit Hilfe der gespeicherten Kälte aufweist, wobei das zweite Druckniveau höher als das erste Druckniveau ist, und
- die Vorrichtung Regelungsmittel aufweist, durch die
- in einer ersten Betriebsweise (Ladebetrieb A, A') ein erster Druckluftstrom (102, 102a) aus dem Luftverdichtungssystem (100) in das
Kältespeichersystem (200) eingeleitet wird, um den Kältespeicher (202) aufzuladen,
- in einer zweiten Betriebsweise (Entladebetrieb B, B') der Kältespeicher (202) entladen und dabei ein dritter Druckluftstrom (204) erzeugt wird, der in die Verbrennungseinheit eingeleitet wird, und
- in einer dritten Betriebsweise (Normalbetrieb) der gesamte im
Hauptluftverdichter (2) erzeugte Hauptdruckluftstrom in die
Verbrennungseinheit (42) eingeleitet wird,
dadurch gekennzeichnet, dass
- das Luftverdichtungssystem außerdem einen ersten Nachverdichter (10) zur Nachverdichtung von im Hauptluftverdichter (2) verdichteter Druckluft auf das zweite Druckniveau aufweist und dass
- die Regelungsmittel so ausgebildet sind, dass
- die Verbrennungseinheit (42) auf dem zweiten Druckniveau betrieben wird,
- in der dritten Betriebsweise (Normalbetrieb) der gesamte im
Hauptluftverdichter (2) erzeugte Hauptdruckluftstrom vor der Einleitung in die Verbrennungseinheit in dem ersten Nachverdichter (10) auf das zweite Druckluftniveau nachverdichtet eingeleitet wird, - in der zweiten Betriebsweise (Entladebetrieb B, B') ein erster Druckluftstrom (102, 102a), der durch mindestens einen Teil des im Hauptluftverdichter (101) erzeugten Hauptdruckluftstroms (2) gebildet wird, in das
Kältespeichersystem (200) eingeleitet wird, um den Kältespeicher (202) zu entladen und damit den dritten Druckluftstrom (204) auf dem zweiten Druckniveau zu erzeugen, der in die Verbrennungseinheit (42) eingeleitet wird, und dass
- die Mittel (203) zur Erzeugung eines Druckluftstroms auf dem zweiten
Druckniveau in dem Kältespeichersystem (201) einen Kaltverdichter (31 , 32) zur Nachverdichtung mindestens eines Teils des ersten Druckluftstroms (102, 102a) aufweisen.
12. Vorrichtung nach Anspruch 11 , dadurch gekennzeichnet, dass die Regelungsmittel so ausgebildet sind, dass in der zweiten Betriebsweise (Entladebetrieb B, B') der erste Druckluftstrom (102, 102a) nur durch einen ersten Teil des im
Hauptluftverdichter (101) erzeugten Hauptdruckluftstroms (2) gebildet wird.
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