Erzeugung von elektrischer Energie aus Wasserstoff und Sauerstoff

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Erzeugen von elektrischer Energie aus Wasserstoff und Sauer stoff.

In konventionellen Kraftwerken werden fossile Brennstoffe wie Kohle oder Kohlenwasserstoffe verbrannt, wodurch Kohlendioxid (CO2) in die Atmosphäre freigesetzt wird. International ist es inzwischen politisches Ziel, konventionelle Kraftwerke zu künftig durch saubere Kraftwerke zu ersetzen, die am besten gar kein CO2 als Verbrennungsprodukt aufweisen, und auch frei von weiteren Emissionen wie beispielsweise Stickoxide sein sollen.

Wasserstoff (H ₂₎ ist dabei im Fokus der Entwicklung, da bei der Verbrennung von Wasserstoff kein Kohlendioxid (CO2) als Reaktionsprodukt anfällt. Ob Wasserstoff jedoch als weitge hend C0 ₂ -neutraler Brennstoff betrachtet werden kann, hängt von der Art der Erzeugung ab. Wasserstoff, der über Wasser elektrolyse mit Hilfe von erneuerbaren Energien hergestelltem Strom erzeugt wird, kommt ohne (^ -Emissionen aus und wird gebräuchlich als grüner Wasserstoff bezeichnet. Die Herstel lung von C0 ₂ -neutralem Wasserstoff ist in jedem Fall aufwen dig und teuer.

Wasserstoff wird auch in alternativen Szenarien wie bei spielsweise bei der Ammoniaksynthese und nachfolgende Dünge mittelproduktion benötigt. Die Nachfrage nach C0 ₂ -neutralem Wasserstoff ist groß und wird in Zukunft weiter zunehmen. Das Angebot hingegen ist knapp und wird auch in Zukunft ein knap pes Gut sein. Ein Kraftwerk, welches Wasserstoff zur Erzeu gung elektrischer Energie nutzt, wird einen hohen Wirkungs grad aufweisen müssen, um wirtschaftlich betrieben werden zu können. Es ist davon auszugehen, dass in Zukunft elektrische Energie weitgehend aus regenerativen Quellen wie Sonne und Wind er zeugt werden wird. Dabei werden konventionelle Kraftwerke vor allem noch dann zum Einsatz kommen müssen, wenn regenerative Energien nicht in ausreichendem Maß zur Verfügung stehen. Für ein konventionelles Kraftwerk bedeutet dies, dass die Anzahl der möglichen Betriebsstunden stark eingeschränkt sein wird. Folglich wird ein solches Kraftwerk zu günstigen spezifischen Investitionskosten nachgefragt sein.

Bekannt sind bereits Verbrennungskraftmaschinen, wie bei spielsweise Gasturbinen oder Gasmotoren, in denen Wasserstoff bzw. ein Gemisch aus Wasserstoff und Erdgas mit Luft zur Stromerzeugung verbrannt werden. Mit diesen Verbrennungs kraftmaschinen sind auch Kraftwerkskonzepte realisierbar, welche auch die Abgaswärme der Verbrennungskraftmaschine über konventionelle Wasserdampfkreisläufe nutzen. Allerdings sind die Wirkungsgrade derzeit im Vergleich mit reinem Erdgas be feuerten Gas- und Dampfkraftwerken niedriger.

Bekannt sind auch Brennstoffzellen, bei denen die elektrische Energie durch Nutzung von Wasserstoff erzeugt wird. Brenn stoffzellen weisen jedoch jetzt im Vergleich zu Verbrennungs kraftmaschinen sehr hohe spezifische Investitionskosten auf. Es ist auch nicht zu erwarten, dass sich das in Zukunft än dert. Der im Vergleich höhere Wirkungsgrad gegenüber Verbren nungskraftmaschinen wird voraussichtlich in netzgekoppelten Kraftwerksanlagen nicht relevant sein, da für eine Wirt schaftlichkeit zu wenige Betriebsstunden Zusammenkommen.

Aufgabe der Erfindung ist es eine Vorrichtung und ein Verfah ren zu einem grünen Energieerzeugungskonzept anzugeben, wel ches einen sehr hohen Wirkungsgrad mit gleichzeitig niedrigs ten spezifischen Investitionskosten verbindet, weitgehend emissionsfrei und flexibel einsetzbar ist. Die auf eine Vorrichtung gerichtete Aufgabe der Erfindung ist gelöst durch die Merkmale von Anspruch 1.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Erzeugung elektrischer Energie aus Wasserstoff und Sauerstoff umfasst eine Verbren nungskraftmaschine, insbesondere eine Gasturbine und einen in den Abgaskanal der Verbrennungskraftmaschine geschalteten Ab hitzedampferzeuger, der nur eine Druckstufe aufweist. Erfin dungsgemäß ist weiterhin ein H2-02 Reaktor vorgesehen, dem Dampf aus dem Abhitzedampferzeuger, Wasser, Sauerstoff und Wasserstoff zuführbar ist, sodass in dem H2-O2 Reaktor eine Reaktion von Sauerstoff und Wasserstoff zu Wasserdampf er zielbar ist, in welcher das eingebrachte Wasser verdampft wo bei zusätzlicher Wasserdampf erzeugbar ist, wobei der dadurch resultierende stark überhitzte Wasserdampf einer Dampfturbine zuführbar ist, und durch einen an die Dampfturbine ange schlossenen Generator eine elektrische Leistung bereitstell bar ist, und zur gezielten Steuerung der Reaktion im H2-O2 Reaktor und zur Einstellung der Dampfaustritttemperatur aus dem H2-C>2-Reaktor Hochdruckspeisewasser (14) aus dem Abhitze dampferzeuger in den H2-02 Reaktor über eine Leitung ein- spritzbar ist.

Die Erfindung geht dabei von der Überlegung aus, eine konven tionelle Gasturbine oder Gasmotor und einen konventionellen Abhitzedampferzeuger zu verwenden. Die Verbrennungskraftma schine kann dabei ganz mit Wasserstoff oder teilweise mit Wasserstoff und Erdgas befeuert werden. Der Abhitzedampfer zeuger weist nur eine Druckstufe auf und hat somit nur ein Druckniveau. Er ist so gestaltet, dass nur mäßig überhitzter Dampf oder auch nur Sattdampf erzeugt wird.

Erfindungsgemäß ist weiterhin ein H2-O2 Reaktor vorgesehen, der in einer durch den Abhitzedampferzeuger bereitgestellten Wasserdampfatmosphäre Wasserstoff und Sauerstoff zur Reaktion bringt. Diese Reaktion führt zu dem Verbrennungsprodukt Was serdampf. Somit sind Verbrennungsprodukt und Kreislaufmedium im Wasserdampfkreislauf des Abhitzedampferzeugers von der gleichen Art.

Die Erfindung erkennt auf besondere Art und Weise, das sich eine konventionelle Gasturbine und ein konventioneller Abhit zedampferzeuger, der leicht überhitzten Dampf auf einem Druckniveau liefert, in Verbindung mit einem H ₂ -O ₂ Reaktor ein stark überhitzter Dampf erzeugen lässt und gleichzeitig die Abgaswärme ideal ausgenutzt werden kann. Der bei der Re aktion von Wasserstoff und Sauerstoff entstehende Wasser dampf, der unter hohem Druck und Temperatur steht, wird in den Wasserdampfkreislauf eingebracht und kann als Kreislauf medium bis auf das im Kondensator definierte Niveau ausge nutzt werden.

Bei nur teilweisem Ersatz von Erdgas durch Wasserstoff als Brennstoff ermöglicht es die Erfindung den Wasserstoff dort einzusetzen, wo er den größten Nutzen hat. Durch Einsatz des Wasserstoffs im Wasserdampfkreislauf kann der auf diesen Brennstoffmassenstrom bezogene Wirkungsgrad sehr deutlich ge genüber einem Einsatz in der Gasturbine gesteigert werden.

Beim Betrieb des H ₂ -O ₂ Reaktors ist auf möglichst vollständi ge Umsetzung vor allem von Wasserstoff und in etwas geringe rem Maße Sauerstoff zu achten. Wasserstoff kann die Eigen schaften des in der Dampfturbine eingesetzten Materials durch Wasserstoffversprödung negativ beeinflussen und zu Korrosion führen. Zur Sicherstellung einer möglichst vollständigen Um setzung des Wasserstoffs wird die Vorrichtung vorzugsweise so gesteuert, dass ein gewisser Überschuss von Sauerstoff vor handen ist. Ggf. überschüssiger Sauerstoff kann vorzugsweise über das Vakuumsystem am Kondensator des Wasserdampfkreislau- fes hinausgefördert werden. Alternativ kann überschüssiger Sauerstoff auch durch andere Maßnahmen, wie beispielsweise Membranentgaser entfernt werden, um Sauerstoff in anderen Be reichen des Wasserdampfkreislaufs weitgehend zu vermeiden. Insbesondere wenn dem Abhitzedampferzeuger eine Vorwärmstre cke für kaltes Speisewasser vorgeschaltet ist, ergibt sich auch in diesem Bereich die Notwendigkeit nicht kondensierbare Gase aus dem Kreislauf zu entfernen.

Zur gezielten Steuerung der Reaktion im H ₂ -O ₂ Reaktor ist Speisewasser aus dem Abhitzedampferzeuger über eine Leitung in den H ₂ -O ₂ Reaktor einspritzbar. Durch das Einspritzen von Speisewasser kann gezielt die Reaktion im H ₂ -O ₂ Reaktor be einflusst werden. Dadurch lassen sich z.B. Flashbacks verhin dern und die Dampftemperatur am Austritt des Reaktors gezielt einstellen. Das Speisewasser wird dazu an geeigneter Stelle (z.B. in den Reaktionszonen von Wasserstoff und Sauerstoff oder in einer Mischstrecke am Austritt des Reaktors) in den H ₂ -O ₂ Reaktor eingespritzt. Das Speisewasser ist Hochdruck speisewasser aus dem Abhitzedampferzeuger, vorzugsweise aus dem Austritt des Economizers.

Zum Zwecke der Leistungserhöhung kann es zudem vorteilhaft sein, kaltes Speisewasser, welches Stromauf des Abhitzedampferzeu gers entnommen wird, zuzumischen. Das kalte Speisewasser ist insbesondere deshalb vorteilhaft, da je nach Kraftwerksausle gung, z.B. den geforderten Frischdampfparametern, die Abwärme des Gasturbinenabgases bereits optimal ausgenutzt wurde und keine weitere Wärme zur Verfügung steht, aber eine entspre chend weiter erhöhte Dampfturbinenleistung gewünscht wird. Eine Zumischung von kaltem Speisewasser wirkt sich zwar nega tiv auf den Wirkungsgrad aus, dies wird aber zur Senkung der spezifischen Investkosten in Kauf genommen.

Der Abhitzedampferzeuger kann z.B. als Naturumlauf- oder auch als Zwangdurchlauftyp konzipiert werden. Letzteres verspricht gerade bei sehr hohen Verdampfungsdrücken eine erhöhte Anla genflexibilität (z.B. verkürzte Startzeiten)

Zur Steigerung des Wirkungsgrades der Anlage können eine oder mehrere Anzapfungen an der Dampfturbine genutzt werden, wel che Kondensat und/oder Speisewasser über entsprechende Wärme tauscher mit minderwertigem Dampf aufwärmen und es somit er- möglichen, mehr hochwertigen Dampf im Abhitzedampferzeuger und/oder im H202-Reaktor zu erzeugen.

Bei einer besonderen Weiterentwicklung der Erfindung ist ein Enthitzer, der als Wärmetauscher ausgebildet ist, stromauf des Kondensators eingebunden. Der Enthitzer ist dabei zur Wärmeaufnahme primärseitig in die Dampfleitung zwischen der Dampfturbine und einem der Dampfturbine nachgeschalteten Kon densator geschaltet. Zur Wärmeabgabe ist der Enthitzer sekun därseitig in die Leitung zur Zuführung von zusätzlichem nicht im Abhitzedampferzeuger vorgewärmten Speisewasser in den H2- O2 Reaktor geschaltet. Der Enthitzer ist dann erforderlich, wenn mit dem H2-O2 Reaktor sehr hohe Frischdampfparameter von beispielsweise 1300°C und 150 bar Druck erzeugt werden. Am Austritt der Dampfturbine liegt dann immer noch stark über hitzter Dampf an, der durch den Enthitzer enthitzt wird, be vor er im Kondensator kondensiert wird. Bei sehr hoch gewähl ten Frischdampfdrücken und -temperaturen kann es vorteilhaft sein, den Abhitzedampferzeuger als Zwangdurchlaufkessel statt als Naturumlauf (Trommel)-kessel auszuführen.

Vorzugsweise wird der Verdampfungsdruck im Abhitzedampferzeu ger nur so hoch eingestellt, dass in Abhängigkeit von der über die H2-O2 Reaktion eingestellten Frischdampftemperatur, Nässe am Austritt der Dampfturbine vermeidbar ist. Die Über hitzung im Abhitzedampferzeuger wird nur so hoch gewählt, dass man ohne zusätzliche Verdampferdruckstufen die Abgaswär me optimal ausnutzt. Da der Fokus auf der optimalen Ausnut zung der Abgaswärme liegt und gleichzeitig ein möglichst ein faches und kostengünstiges Konzept umgesetzt werden soll, wird der Verdampfungsdruck in Abhängigkeit von der über die H2-O2 Reaktion eingestellten Frischdampftemperatur nur so hoch gewählt, dass auch ohne Zwischenüberhitzung am Austritt der Dampfturbine beim jeweiligen Kondensatordruck kein zu Schaufelerosion führendes Nässeproblem vorliegt.

Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung um fasst weiterhin einen elektrisch betriebenen Überhitzer, der dem H2-O2 Reaktor vorgeschaltet ist, und durch welchen sich bei Nichtbetrieb des th-Ch-Rektors die Frischdampftemperatur des Dampfes soweit erhöhen lässt, dass am Austritt der Dampf turbine Nässe vermieden ist. Mit Blick auf die derzeit noch unzureichende WasserstoffInfrastruktur und daraus möglicher weise resultierenden Wasserstoff Lieferengpässen kann es von Vorteil sein, wenn im Kreislauf eine solche Option vorgesehen wird, bei der ein Weiterbetrieb des H2-O2 Reaktors auch ohne Wasserstoff/Sauerstoff Versorgung sichergestellt ist.

Bei einer vorteilhaften Weiterentwicklung der Erfindung weist der Abhitzedampferzeuger Heizflächen auf, die einen ersten Verdampfer und einen zweiten Verdampfer bilden, und Heizflä chen, die einen ersten Überhitzer bilden, wobei der erste Überhitzer zwischen den Heizflächen des ersten Verdampfers und des zweiten Verdampfers angeordnet ist, sodass ein Verzö gerungspotential beim Start der Gasturbine vermieden ist.

Dies bietet den Vorteil, dass die Gasturbine immer mit vollem Gradienten angefahren werden kann, auch wenn der Abhitze dampferzeuger drucklos und der Überhitzer noch trocken und damit ungekühlt ist.

Grundsätzlich ist es auch vorteilhaft möglich, den durch den H2-O2 Reaktor erzeugten Dampf in ein Fernwärmenetz abzugeben. Dazu ist die Dampfturbine entsprechend mit Anzapfungen auszu statten oder ggf. als Gegendruckturbine auszuführen.

Die auf ein Verfahren gerichtete Aufgabe der Erfindung wird gelöst durch die Merkmale nach Anspruch 9. Die erfindungsge mäßen Vorteile der Vorrichtung gelten ebenso für das Verfah ren.

Das erfindungsgemäße Verfahren zur Erzeugung elektrischer Energie aus Wasserstoff und Sauerstoff umfasst eine Verbren nungskraftmaschine, insbesondere eine Gasturbine, und einen in den Abgaskanal der Verbrennungskraftmaschine geschalteten Abhitzedampferzeuger, der nur eine Druckstufe aufweist. Weiterhin ist ein H2-O2 Reaktor vorgesehen, dem Dampf aus dem Abhitzedampferzeuger, Wasser, Sauerstoff und Wasserstoff zu geführt wird, sodass in dem H2-O2 Reaktor Sauerstoff und Was serstoff zu Wasserdampf reagiert, und weiterer Wasserdampf durch Verdampfung des eingespritzten Wassers entsteht, wobei der Wasserdampf einer Dampfturbine zugeführt wird, und durch einen an die Dampfturbine angeschlossenen Generator eine elektrische Leistung erzeugt wird.

Die Reaktion im H2-O2 Reaktor wird vorzugsweise gezielt ge steuert, indem Speisewasser aus dem Abhitzedampferzeuger über eine Leitung in den H2-O2 Reaktor eingespritzt wird.

Vorzugsweise wird Hochdruckspeisewasser aus dem Austritt des Economizers des Abhitzedampferzeuger verwendet.

Bei sehr hohen Dampfparametern stromab des H ₂ -0 ₂ -Reaktors (z.B. 150 bar und 1300 °C) ist im Wasserdampfkreislauf vor zugsweise ein Enthitzer stromauf des Kondensators integriert, der als Wärmetauscher ausgebildet ist, welcher primärseitig in die Dampfleitung zwischen der Dampfturbine und einem der Dampfturbine nachgeschalteten Kondensator geschaltet wird, um Wärme aufzunehmen, und sekundärseitig in eine Leitung ge schaltet wird, um Wärme abzugeben.

Vorteilhaft ist weiterhin ein oder mehrere Kondensat-/ Spei sewasservorwärmer, wobei zur Wirkungsgradsteigerung Wasser dampf aus einer oder mehrerer Anzapfungen an der Dampfturbine entnommen und den Vorwärmern zwecks Beheizung zugeführt wird.

Der Verdampfungsdruck im Abhitzedampferzeuger wird vorzugs weise nur so hoch eingestellt ist, dass in Abhängigkeit von der über die H ₂ -0 ₂ -Reaktion eingestellten Frischdampftempera- tur, auch ohne Zwischenüberhitzung am Austritt der Dampftur bine Nässe vermieden ist.

Bei einer besonderen Weiterentwicklung ist weiterhin ein elektrisch betriebener Überhitzer vorgesehen, der dem H2-O2- Reaktor vorgeschaltet ist, und durch welchen sich die Frisch dampftemperatur des Dampfes bei Bedarf (fh-Ch-Reaktor nicht oder nur mit verringerter Leistung im Betrieb) soweit erhöhen lässt, dass am Austritt der Dampfturbine Nässe vermieden ist.

Bei einer besonderen Ausführungsform der Erfindung weist der Abhitzedampferzeuger Heizflächen auf, die einen ersten Ver dampfer und einen zweiten Verdampfer bilden, und Heizflächen, die einen ersten Überhitzer bilden, wobei der erste Überhit zer zwischen den Heizflächen des ersten Verdampfers und des zweiten Verdampfers angeordnet ist, sodass ein Verzögerungs potential beim Start der Gasturbine vermieden ist.

Die Erfindung hat gegenüber einem konventionellen Gas- und Dampfkraftwerk (GuD), welches ganz oder teilweise Wasserstoff als Brennstoff für die Gasturbine nutzt, eine Reihe von Vor teilen:

Der Wirkungsgrad allgemein und insbesondere im Falle des nur teilweisen Ersatzes von Erdgas durch Wasserstoff ist höher als bei einem auf der gleichen Gasturbine basierenden GuD. Dies ergibt sich dadurch, dass

- Frischdampfdruck und -temperatur höher gewählt werden können, als wie dies durch das Abgastemperaturniveau der Gasturbine möglich wäre,

- die im Abgas der Gasturbine enthaltene Wärme besser aus genutzt wird, also die Abgastemperatur am Austritt des Kamins niedriger ist,

- der bei der Reaktion von Wasserstoff und Sauerstoff ent stehende unter hohem Druck und Temperatur stehende Was serdampf als Kreislaufmedium zu sehen ist und insofern bis auf das im Kondensator definierte Niveau ausgenutzt werden kann

- bei erhöhten Wasserstoff-Anteilen im Gasturbinen Brenn gas im Vergleich zu Erdgas die Verbrennungstemperatur heute noch deutlich abgesenkt werden muss, um Flashback, Stickoxidemissionen, etc. im Griff zu behalten. Die Tem peratur im Reaktor ist hingegen deutlich niedriger und kann darüber hinaus durch das Einspritzen von Speisewas ser sehr genau geregelt werden, das Potential der Was serstofffeuerung kann also besser ausgenutzt werden.

- bei nur teilweisem Ersatz des Erdgases als Brennstoff, kommt der Wasserstoff dort zum Einsatz, wo er den größ ten Nutzen hat. Durch Einsatz des Wasserstoffs im Was serdampfkreislauf beträgt der auf diesen Brennstoffmas senstrom bezogene Wirkungsgrad über 50%, was sehr deut lich über dem Wirkungsgrad von Gasturbinen liegt.

Die Leistung erhöht sich im Vergleich sogar sehr deutlich und kann unter teilweiser Aufgabe des Wirkungsgradvorteiles ge genüber dem GuD noch weiter gesteigert werden. Zwecks Verbes serung der spezifischen Kosten kann bei heute problemlos dar stellbaren Frischdampfparametern und einem immer noch GuD ähnlichen Wirkungsgrad die Leistung der Dampfturbine mehr als verdoppelt werden und übersteigt somit den Leistungsanteil der Gasturbine.

Die im Vergleich verbesserte Leistung und Wirkungsgrad wird mit ungefähr gleichen Kosten erreicht, da Einsparungen und Mehrungen sich ungefähr die Waage halten. Dies lässt sich in Bezug auf Einsparungen wie folgt verdeutlichen:

- Es gibt nur eine (statt wie beim GuD meist üblichen meh reren Druckstufen) im Abhitzedampferzeuger aus günstigem Stahl und keine teuren Hochtemperaturheizflächen für Überhitzer oder Zwischenüberhitzer. Damit entfallen auch entsprechende End- und Zwischeneinspritzungen

- Es gibt nur eine (statt wie beim GuD mehrerer Frisch dampfleitungen und zusätzlich oft noch kalter und heißer Zwischenüberhitzung) und vergleichsweise kalte Frisch dampfleitung (somit günstiger Stahl) vom Kessel zum H ₂ - 0 ₂ -Reaktor, der bevorzugt möglichst nahe an der Dampf turbine angeordnet wird, um die stromab von ihm nötige hochtemperaturfähige Frischdampfleitung möglichst kurz zu halten.

- Es wird keine Deminwasseraufbereitungsanlage für die Kreislaufwasserzusatzversorgung benötigt. Im Grunde ist dieses Kraftwerk mit dem entsprechenden Rückkühlsystem nicht nur ein wasserfreies Kraftwerk, sondern sogar ein wasserproduzierendes. Dies gilt, wenn der Wasserstoff und Sauerstoff produzierende und als Rohstoff Wasser be nötigende Elektrolyseur nicht on-site betrieben wird oder falls blauer Wasserstoff in Kombination mit aus Luft gewonnenem Sauerstoff zum Einsatz kommt.

Die Erfindung erfordert neben dem H ₂ -O ₂ Reaktor als zusätzli ches Element, ggf. Anpassungen am Turbosatz der Dampfturbine und an den Kreislaufpumpen (erhöhter Hochdruckdampfmassen strom), ein Sauerstoffbereitstellungssystem und eine Vergrö ßerung des Rückkühlsystems.

Die Vergrößerung des Rückkühlsystems kann bei Luftkondensato- ren und Durchlaufkühlungen mit begrenzter Aufwärmspanne ganz oder teilweise durch die über den Eindruckprozess mögliche umfassende Nutzung von Eco-Bypassschaltungen im Kessel aufge fangen werden, da während des sonst die Auslegung bestimmen den Dampfbypassbetriebes sehr viel Wärme über das Abgas abge führt werden kann.

Ein weiterer Vorteil ergibt sich durch die deutlich verbes serte Flexibilität gegenüber einem GuD. Dies ergibt sich un ter anderem wie folgt:

- Da die erste dem heißen Abgasstrom der Gasturbine ausge setzte Heizfläche nicht wie bisher eine, während des Startvorganges ungekühlte Überhitzerheizfläche ist, son dern eine ständig gekühlte Verdampferheizfläche, kann die Gasturbine mit vollem Gradienten auch bei kaltem Kessel angefahren werden, daraus ergibt sich eine ent sprechende Startzeitverkürzung.

- Das schnelle Abfahren des Kraftwerkes ist mit deutlich weniger Beanspruchung des Kessels möglich, da die Über hitzerheizfläche entweder gar nicht vorhanden ist oder bevorzugt zwischen den Verdampferheizflächen angeordnet wird. Somit kommt sie nicht mit kaltem Abgas/ Luft wäh rend und direkt nach dem Abfahren in Berührung, damit entfällt das mögliche „Quenchen" der Überhitzerheizflä che.

- Der Hochtemperaturbereich (H ₂ -O ₂ Reaktor, Dampfturbinen eintritt inklusive Ventilen, verbindende Rohrleitungen) ist räumlich eng begrenzt und eignet sich damit beson ders für eine Warmhaltung im Stillstand mittels Heizmat ten. Die Dampfturbine kann somit sehr frühzeitig ange fahren werden, dabei hilft es, dass über den ^-Cd- Reaktor die Temperatur des in die Dampfturbine eintre tenden Frischdampfes sehr gut geregelt werden kann.

- Die Möglichkeit der Temperatureinstellung über den H ₂ - Cb-Reaktor und die Regelung der Wassereinspritzmenge in ebendiesen bieten weitere sehr schnell wirkende Lastre gelmöglichkeiten (auch in Bezug auf Überlast).

In Summe wird der bisher eher träge reagierende Dampfteil da mit ähnlich schnell, wie die Gasturbine und kann auch ohne diese zur Leistungserhöhung des Kraftwerkes beitragen. Auch dieser Umstand kann sich gerade bei einer Nachrüstung sehr positiv auswirken, da die Wahl eines offenen Gasturbinenpro zesses ursprünglich oft durch die damit einhergehende Flexi bilität begründet war.

Ein weiterer wichtiger Vorteil dieses Konzeptes im Vergleich zu ganz oder teilweise Wasserstoff befeuerten Gasturbinen und darauf aufbauenden GuD mit konventionellem Wasserdampfkreis- lauf und auch sonst allen anderen Prozessen, welche Wasser stoff mit Luftsauerstoff verbrennen, liegt darin, dass das bei der Reaktion von Wasserstoff und Sauerstoff entstehende Wasser nicht in die Atmosphäre verloren geht und insofern ge rade bei Wasserknappheit, die wertvolle Ressource Wasser für weitere Nutzungen zur Verfügung steht. Ein weiterer Vorteil gegenüber den zuvor genannten Luftsauerstoff zur Wasserstoff- Verbrennung nutzenden Prozessen besteht darin, dass durch die Abwesenheit von Stickstoff auch keine Stickoxide entstehen und in die Atmosphäre abgegeben werden. Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Figuren näher be schrieben. Darin zeigt:

Figur 1: Eine erfindungsgemäße Vorrichtung zum Erzeugen von elektrischer Energie aus Wasserstoff und Sauerstoff

Figur 2: Eine Zusammenstellung mehrerer Weiterentwicklungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung

Figur 3: Eine Weiterentwicklung der erfindungsgemäßen Vor richtung mit separaten Vorwärmern

Figur 4: Eine Weiterentwicklung der erfindungsgemäßen Vor richtung mit einem Durchlaufdampferzeuger

Figur 1 zeigt die erfindungsgemäße Vorrichtung 1 zur Erzeu gung elektrischer Energie aus Wasserstoff und Sauerstoff. Die Vorrichtung umfasst eine Gasturbine 2, einen in den Abgaska nal 3 der Gasturbine geschalteten Abhitzedampferzeuger 4, ei nen H2-O2 Reaktor 6 und eine Dampfturbine 11. Die Gasturbine 2 und der Abhitzedampferzeuger 4 sind konventionelle Kompo nenten. Die Gasturbine 2 kann ganz mit Wasserstoff oder teil weise mit Wasserstoff und Erdgas befeuert werden. Der Abhit zedampferzeuger 4 ist so ausgelegt, dass er nur eine Druck stufe 5 aufweist und leicht überhitzten Dampf liefert. Dem H2-O2 Reaktor 6 ist Dampf 7 aus dem Abhitzedampferzeuger 4, Sauerstoff 8, Wasserstoff 9 und Wasser 31 über getrennte Lei tungen zuführbar.

Der H2-O2 Reaktor ist so ausgelegt, dass in ihm eine Reaktion von Sauerstoff 8 und Wasserstoff 9 zu Wasserdampf 10 erziel bar ist. Diese Reaktion führt zu dem Verbrennungsprodukt Was serdampf. Der Wasserdampf 10 ist stark überhitzt (wobei durch Zugabe von Dampf 7 und Wasser 31 eine zulässige Dampftempera- tur eingestellt wird) und wird über eine Dampfleitung 10 der Dampfturbine 11 zugeführt. Die Dampfturbine 11 ist mit einem Generator 12 verbunden, durch den eine elektrische Leistung bereitstellbar ist. Der bei der Reaktion von Wasserstoff und Sauerstoff entstehende Wasserdampf, der unter hohem Druck und Temperatur steht, wird somit in den Wasserdampfkreislauf ein gebracht und kann als Kreislaufmedium bis auf das im Konden sator definierte Niveau ausgenutzt werden. Durch die bessere Wärmeausnutzung kann die Abgastemperatur am Austritt des Ka mins niedriger sein. Durch Einsatz des Wasserstoffs im Was serdampfkreislauf kann der auf diesen Brennstoffmassenstrom bezogene Wirkungsgrad sehr deutlich gegenüber einem Einsatz in der Gasturbine gesteigert werden.

Figur 2 zeigt mehrere Weiterentwicklungen der erfindungsgemä ßen Vorrichtung. Die Weiterentwicklungen können dabei in Kom bination oder getrennt voneinander realisiert sein.

Zur gezielten Steuerung der Reaktion und Leistungserhöhung im H2-O2 Reaktor 6 wird Speisewasser 13 aus dem Abhitzedampfer zeuger 4 in den H2-O2 Reaktor 6 über eine Leitung 19 ein spritzt. Das Speisewasser 13 kann dabei Hochdruckspeisewasser 14 sein, welches vorteilhaft am Austritt des Economizers 15 des Abhitzedampferzeuger 4 entnommen wird.

Zur weiteren Wirkungsgradsteigerung ist in Figur 2 zudem ein Kondensatvorwärmer 20 vorgesehen, der dem Abhitzedampferzeu ger 4 zur Vorwärmung von Speisewasser 13 vorgeschaltet ist. Der Kondensatvorwärmer 20 ist mit Wasserdampf beheizt, der aus einer oder mehrerer Anzapfungen 21 an der Dampfturbine 11 entnommen wird.

Um die Frischdampftemperatur des Dampfes bei Bedarf (z. B. wenn der H ₂ -0 ₂ -Reaktor außer Betrieb ist) soweit erhöhen zu können, dass am Austritt der Dampfturbine 11 Nässe vermieden wird, ist in Figur 2 weiterhin ein elektrisch betriebener Überhitzer 22 vorgesehen, welcher dem H2-02-Reaktor 6 vorge schaltet ist. Durch den elektrisch betriebenen Überhitzer 22 ist es möglich einen Weiterbetrieb des H2-O2 Reaktors auch ohne Wasserstoff/Sauerstoff Versorgung sicherzustellen. Um ein Verzögerungspotential beim Start der Gasturbine 2 zu vermeiden, ist in Figur 2 ein Überhitzer 27 vorgesehen, der zwischen den Heizflächen 23 des ersten Verdampfers 25 und des zweiten Verdampfers 26 angeordnet ist. Dies bietet den Vor teil, dass die Gasturbine 2 immer mit vollem Gradienten ange fahren werden kann, auch wenn der Abhitzedampferzeuger 4 drucklos und der Überhitzer 27 noch trocken, und damit unge kühlt ist.

Figur 3 basiert auf der erfindungsgemäßen Ausführung nach Fi gur 1. Figur 3 zeigt eine Weiterentwicklung der erfindungsge mäßen Vorrichtung mit separaten Vorwärmern 30, die mit Anzap fungen an der Dampfturbine 11 verbunden sind.

Figur 4 basiert weitgehend auf Figur 1. Figur 4 zeigt eine Weiterentwicklung der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit einem Zwangdurchlaufdampferzeuger 16 und einem Enthitzer 17. Bei sehr hoch gewählten Frischdampfdrücken und -temperaturen ist es vorteilhaft, den Abhitzedampferzeuger 4 als Zwangdurch laufkessel statt als Naturumlauf- (Trommel)-kessel auszufüh ren. Der Enthitzer 17 ist als Wärmetauscher 18 ausgebildet, der zur Energieaufnahme primärseitig in die Dampfleitung 10 zwischen der Dampfturbine 11 und einem der Dampfturbine 11 nachgeschalteten Kondensator 24 geschaltet ist, und zur Wär meabgabe sekundärseitig in die Leitung 19 zur Zuführung von Speisewasser aus dem Abhitzedmpferzeuger 4 in den H2-O2 Reak tor 6 geschaltet ist. Der Enthitzer 17 ist dann erforderlich, wenn mit dem H2-O2 Reaktor 6 sehr hohe Frischdampfparametern von beispielsweise z.B. 1300°C und 150 bar Druck erzeugt wer den. Am Austritt der Dampfturbine 11 liegt dann immer noch stark überhitzter Dampf an, der durch den Enthitzer 17 ent- hitzt wird, bevor dieser im Kondensator 24 kondensiert wird.