Anlage mit thermischem Energiespeicher, Verfahren zum Betreiben und Verfahren zur Modifikation

Die Erfindung betrifft eine Anlage, bei der das Abgas einer Gasturbine in einen thermischen Energiespeicher geleitet wird, wobei die Energie des thermischen Energiespeichers für verschiedene Zwecke verwendet werden kann, ein Verfahren zum Betreiben einer solchen Anlage sowie ein Verfahren zur Modi fikation bestehender Anlagen.

GuD-Anlagen werden im aktuellen Energiemarkt oft als soge nannte „Peaker" verwendet und müssen dabei schnell in ihrer Leistung hoch- und runtergefahren werden. Dies ist aus dem Ruhezustand zwar möglich, jedoch gehen solche Schnellstarts auf Grund der extremen thermischen und physikalischen Belas tung zu Lasten der Lebensdauer einer Gasturbine, eines nach geschalteten Kessels und einer Dampfturbine. Ein Weiterlau fenlassen, sogenanntes „Parken" der GuD-Anlage bei minimaler Last, erscheint aus wirtschaftlichen Aspekten nur bedingt sinnvoll.

Um auf die stark volatilen Anforderungen des aktuellen Ener giemarktes reagieren zu können, wird oftmals nur die Gastur bine im Solo-betrieb gestartet. In dieser Fahrweise wird die gesamte Abgasenergie anstatt über den Dampfprozess über einen Kamin, ohne weitere Verwendung, direkt an die Umgebungsluft abgegeben. Dadurch verringert sich die Effizienz der GuD- Anlage, welches die wirtschaftliche Nutzung der GuD-Anlage verringert .

Die EP 2574 755 A2 offenbart ein System und ein Verfahren, um elektrischen Strom zu erzeugen, bei dem das Heißgas für die Gasturbine mittels Sonnenenergie erwärmt wird. Dies hat den Nachteil, dass die Gasturbine nicht individuell angesteu ert werden kann.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung oben genanntes Problem zu lösen. Die Aufgabe wird gelöst durch eine Anlage gemäß Anspruch 1, ein Verfahren zum Betreiben einer Anlage gemäß Anspruch 19 und ein Verfahren zur Modifikation einer Anlage nach Anspruch 31.

Die Figur 1 zeigt eine GuD-Anlage nach dem Stand der Technik und in den Figuren 2 bis 10 ist schematisch die Erfindung dargestellt.

Die Figuren 2 - 10 und die Beschreibung stellen nur Ausfüh rungsbeispiele der Erfindung dar.

Figur 1 zeigt beispielhaft eine Energieumwandlungsanlage 1' aus dem Stand der Technik.

Eine Gasturbine 100 ist mit einem elektrischen Generator 5 zur Stromerzeugung verbunden.

Der elektrische Generator 5 ist ebenfalls mit einer Dampf turbine 6 verbunden (Ein-Strang-Anlage).

Eine Dampfturbine ist dann vorhanden, wenn es sich um eine kombinierte Gas- und Dampfturbinenanlage (GuD) handelt.

Eine Energieumwandlungsanlage 1' kann auch nur eine Gasturbi ne 100 ohne Dampfturbine 6 aufweisen.

Heißes Abgas aus der Gasturbine 100 strömt über einen Dif fusor 8 in eine Wärmerückgewinnungsanlage 9 (AHDE = AbHitze- DampfErzeuger (engl. HRSG) mit/ohne Zusatzfeuerung) aus, bei der das heiße Abgas weiter verwendet wird, insbesondere be nutzt wird zur Dampferzeugung für die Dampfturbine 6.

Ebenso vorzugsweise ist ein Abluftkamin 10 vorhanden.

In Figur 2 ist schematisch eine erfindungsgemäße Anlage 1 dargestellt. Die Gasturbine 100 ist vorzugsweise über ein Getriebe 4 oder eine Kupplung 4 mit dem elektrischen Generator 5 zur Strom erzeugung gekoppelt.

Eine Dampfturbine 6 ist vorhanden, wenn es sich um eine kom binierte Gas- und Dampfturbinenanlage (GuD) handelt.

Mit Dampfturbine ist hier und in der gesamten Beschreibung der Erfindung eine einzelne Dampfturbine oder ein Dampfturbi nensatz aus mindestens zwei mehreren Dampfturbinen, ausge wählt aus Hochdruckturbine(n), Mitteldruckturbine(n) und Nie derdruckturbinein) gemeint.

Der Generator 5 ist ebenfalls mit der Dampfturbine 6 vor zugsweise über eine Dampfturbinenkupplung 2 verbunden, insbe sondere mittels einer SSS-Kupplung.

Die Anlage 1, 1'' (Fig 6) ist so ausgelegt, dass die Dampf turbine 6 allein betrieben werden kann.

An die Dampfturbine 6 ist insbesondere ein Kondensator 7 an geschlossen .

Das heiße Abgas der Gasturbine 100 kann erfindungsgemäß über den Diffusor 8 in einen thermischen Energiespeicher 103 ge leitet werden.

Der Energieinhalt des Energiespeichers 103 reicht aus, um die Dampfturbine 6 länger allein und konstant zumindest mehrere Minuten lang zu betreiben.

Der Energieinhalt des Energiespeichers 103 liegt vorzugsweise bei mindestens 1 GWh, insbesondere mindestens bei 2 GWh (GigaWattstunden).

Die gespeicherte Energie aus dem Energiespeicher 103 kann bei Bedarf entnommen werden, um insbesondere Wasser für Fernwärme 25 zu erwärmen, um es dann ins Fernwärmenetz einzuspeisen und/oder sie wird genutzt, um für die GuD-Anlage 1, 1'' (Fig. 6) Dampf zu erzeugen. Des Weiteren kann mit der gespeicherten Energie aus dem Ener giespeicher 103 der für den Verbrennungsprozess in der Gas turbine 100 verwendete Brennstoff oder das Gas vorgewärmt werden, welches die Effizienz der Gasturbine 100 erhöht.

Die Ausleitung von Prozesswärme und Prozessdampf aus dem Energiespeicher 103 zum Beispiel für die Trocknung von Klär schlamm, Luftvorwärmer, Kältemaschinen bzw. Expansionsmaschi nen sind weitere Anwendungsfälle.

Optional kann noch Strom aus erneuerbarer Energie von Wind kraft- 106 oder Solarenergieanlagen 109 in den thermischen Energiespeicher 103 eingespeichert werden, insbesondere mit tels eines elektrischen Heizers 36.

Je nach Anwendungsfall, insbesondere im Fall des GuD 1, 1'' (Fig. 6), ist ein Bypass-Kamin 112 vorhanden, der das heiße Abgas der Gasturbine 100 entweder direkt in den thermischen Energiespeicher 103 oder in das Wärmerückgewinnungssystem (AHDE) 9 leitet.

Wird nur die Gasturbine 100 bei Volllast betrieben und deren Energie benötigt, um den Generator 5 anzutreiben oder wenn die Gasturbine 100 als „Peaker" oder im Open Cycle betrieben wird, wobei dies eine alleinstehende Gasturbine 100 oder eine Gasturbine 100 in einer GuD-Anlage 1 sein kann, so wird das heiße Abgas der Gasturbine 100 direkt vollständig oder größ tenteils in den thermischen Energiespeicher 103 geleitet.

Auch im GuD-Betrieb kann also die Gasturbine 100 mit ihrem heißen Abgas verwendet werden, um den thermischen Energie speicher 103 zu beladen.

Im GuD-Betrieb kann je nach Netzauslastung das heiße Abgas der Gasturbine 100 in den AHDE 9 geleitet werden und/oder in den thermischen Energiespeicher 103 eingeleitet werden. Wird im Netz weniger Elektrizität benötigt, so kann die Gas turbine 100 auf eine bestimmte Last runtergefahren werden, vorzugsweise wird sie ganz ausgeschaltet.

Dabei muss dann keine weitere Beladung des thermischen Ener giespeichers 103 durch die Gasturbine 100 erfolgen. Jedoch kann der Energiespeicher 103 weiterhin durch Windenergie 106 und Solarenergie 109 mittels einem elektrischen Heizer 36 aufgeladen werden.

Falls notwendig, wird der thermische Energiespeicher 103 über den AHDE 9 entladen, um die Dampfturbine 6 zu betreiben, die dann wiederum den Generator 5, 5' (Fig. 6) antreibt.

Ein weiterer Abluftkamin 10' ist hinter dem Energiespeicher 103 vorhanden, wenn z. B. Heißluft aus dem Energiespeicher 103 rausgeblasen wird.

Vorzugsweise ist noch eine Bypass-Leitung 114 mit einer Re gelklappe 111 vorhanden.

In Figur 3 ist eine detaillierte Anordnung einer erfindungs gemäßen GuD-Anlage 1 gezeigt.

Eine Dampfturbine 6 und vorgeschaltete Prozesse können, wie in Figur 3 gezeigt, verwendet werden, um die gespeicherte Energie im Energiespeicher 103 zu verwenden, um Elektrizität zu erzeugen.

Im oberen Bereich der Figur 3 ist die Gasturbine 100 darge stellt, die im Open Cycle bzw. Simple Cycle (Solo-Betrieb) oder GuD-Betrieb betrieben wird.

Jedenfalls kann das heiße Abgas der Gasturbine 100 über eine erste Zufuhrleitung 13' dem thermischen Energiespeicher 103 zugefügt werden.

Ebenso kann die Energie aus dem thermischen Energiespeicher 103 in Form von heißer Luft entnommen werden, um sie dem AHDE 9 oder einem anderen Verbraucher von thermischer Energie 30 zuzuführen. Die thermische Energie 30 aus dem Energiespeicher 103 dient dazu, diese zur Stromerzeugung zu verwenden.

Dazu wird die heiße Luft aus dem thermischen Energiespeicher 103 via Abfuhrleitung 13'', um insbesondere mittels eines Wärmetauschers (AHDE) 9, Wärmetauscher 19, Abdampfleitung 22 sowie Kondensator 16 entsprechend heißen Dampf für eine Dampfturbine 6 zu erzeugen, die mittels des Generators 5 elektrische Energie 28 oder Prozessdampf 29 erzeugt.

Ebenso ist es möglich, die thermische Energie 30 aus dem Energiespeicher 103 für die Erwärmung von Wasser, in Anwen dung von Kältemaschinen, Expansionsmaschinen, Prozesswärme für Trocknungsanlagen oder für Fernwärme 25 zu nutzen.

In Figur 4 ist eine weitere Variante einer erfindungsgemäßen GuD-Anlage 1 gezeigt, bei der in Ergänzung zu Figur 3 erneu erbare Energien 33 wie Windkraft 106, Solarenergie 109 oder Elektrizität von Wasserspeichern verwendet werden, um den thermischen Energiespeicher 103 mittels des elektrischen Hei zers 36 zu erwärmen, optional zum heißen Abgas der Gasturbine 100.

In Figur 3, Figur 4 sowie den folgenden Figuren ist der Teil der Gasturbine 100 oder GuD-Anlage 1, 1'' (Fig 6) nur schema tisch dargestellt und entspricht insbesondere der Figur 2.

In Figur 5 ist gezeigt, dass der thermische Energiespeicher 103 vorzugsweise in Module 103a, 103b, ... 103n aufgeteilt sein kann und so auch in Figuren 2, 3, 4, 6 und 7 verwendet werden kann, um ihn selektiv zu beladen oder zu entladen.

Der thermische Energiespeicher 103 ist also vorzugsweise mo dular aufgebaut.

Einzelne Module 103a, 103b, ..., 103n können separat voneinan der aufgeheizt und so auf unterschiedliche Temperaturen und Wärmeinhalte gebracht werden. Hohe Temperaturen im Energiespeicher 103 bzw. den Modulen 103a, ..., 103n sind thermodynamisch am besten.

Wenn ein Modul 103a, 103b, ...die höchste oder gewünschte Tem peratur erreicht, kann ein anderes Modul 103, ... erwärmt wer den.

Dementsprechend wird zuerst das Modul 103a, 103b, ..., mit der höchsten Temperatur „entladen", um es insbesondere für die Dampfturbine 6 bzw. den AHDE 9 zu verwenden.

Der modulare Energiespeicher 103 weist zumindest teilweise, insbesondere für alle Module 103a, 103b, ..., 103n, jeweils einen separaten Einlass und/oder einen Auslass für die Ein leitung oder die Ausleitung des Heißgases von der Gasturbine 100 bzw. zum AHDE 9 auf.

Die Anlage und Verfahrensweise haben folgende Vorteile:

- direkte Einspeisung von Abgasenergie in einen thermischen Speicher

- Verwendung von Vulkangestein, Steine, Kalk, Schamotte steine, Keramik als Speichermaterial für den thermischen Energiespeieher

- Indirekte Kombination der Speicherung von elektrisch er zeugter Energie mit thermischer Abgasenergie

- Auskopplung von Wärme aus dem Energiespeicher mittels eines Dampfturbinenprozesses

- für die Nutzung in Entsalzungsanlagen

- Nutzung als Erdgasvorwärmung

- als Vorwärmung der Gasturbineneintrittsluft

- für die Produktion von Fernwärme

- für die Anwendung in Kältemaschinen oder

- für die Verwendung von Prozessdampf für unter anderem che mische Anlagen.

Über eine erste Leitung 39 gemäß Figur 5 wird ein Fluid, ab gekühlter Dampf insbesondere aus dem Hochdruckteil der Dampf turbine 6 zur Zwischenüberhitzung zurück in den AHDE 9 gelei tet, um es dort wieder zu erhitzen. Über eine zweite Leitung 42 gemäß Figur 5 wird Fluid, Hoch druckdampf aus dem Hochdruckteil des AHDE 9 zur Dampfturbine 6 geleitet.

Über eine dritte Leitung 45 gemäß Figur 5 wird ein Fluid, Niederdruckdampf aus dem Niederdruckteil des AHDE 9 zum Nie derdruckteil der Dampfturbine 6 geleitet.

Über eine vierte Leitung 53 gemäß Figur 5 wird ein Fluid, Wasser (Kondensat) zurück in den AHDE 9 geleitet, um es dort wieder zu erwärmen.

Über eine fünfte Leitung 59 gemäß Figur 5 wird ein Fluid, Mitteldruckdampf aus einer Zwischenüberhitzung des AHDE 9 der Dampfturbine 6 zugeführt.

Ein Rezirkulationsgebläse 56 kann vorzugsweise zur Unterstüt zung verwendet werden.

In der Darstellung gemäß Figur 5 handelt es sich um eine Sin- gle-Shaft-Anlage mit Gasturbine 100, Generator 5, Dampftur bine 6, gekoppelt in einem Strang.

In Figur 6 ist in Abwandlung von Figur 5 ein weiteres Ausfüh rungsbeispiel gezeigt, bei dem ein weiterer Generator 5' vor handen ist, also eine GuD-Anlage 1'' in Mehrwellenkonfigura tion.

In der Darstellung gemäß Figur 6 wird das Ganze in einer An ordnung für eine GuD-Anlage 1'' in Mehrwellenkonfiguration dargestellt. Hierbei ist die Gasturbine 100 und der dazuge hörige Generator 5 an einen Strang gekoppelt, während die Dampfturbine 6 und der weitere, dazugehörige Generator 5' an einem separaten Strang gekoppelt sind.

Der Einsatz des thermischen Speichers 103 ist in beiden Sze narien (Fig. 5, 6) möglich. In der Single-Shaft-Anordnung 1 befindet sich zwischen Gene rator 5 und der Dampfturbine 6 eine Dampfturbinenkupplung 2 (Fig. 2), welche den separaten Betrieb des Generators 5 aus schließlich angetrieben durch die Gasturbinen 100 erlaubt.

Die GuD-Anlage 1'' in Mehrwellenanordnung erlaubt ein weites Spektrum an Flexibilität. Der thermische Energiespeicher 103 wird durch die Gasturbine 100 gespeist und die Re-Elektrifi- zierung erfolgt über den AHDE 9 mittels Dampfturbine 6 und Generator 5', wobei unabhängig davon die Gasturbine 100 und der Generator 5 betrieben werden können. Das gefahrene Last profil der Gasturbine 100 kann dabei auch vom Lastprofil des Entladungsprozess des thermischen Energiespeichers 103 vari ieren.

Figur 7 zeigt schematisch die Anlage gemäß den vorherigen Figuren 2 bis 6.

Der thermische Energiespeicher 103 kann auch mittels Solar energie 109 und oder Windenergie 106 erwärmt werden, indem der aus erneuerbarer Energie erzeugte Strom zum Aufheizen verwendet wird.

Diese Zufuhr wird über Leistungsregler 701 für elektrische Leistung aus erneuerbaren Energiequellen gesteuert.

Durch verschiedene Schieberegler (insbesondere mittels Guil lotinen) 703, 706, 727, 730, Regelklappen 709, 712 und Ab sperrklappen 715, 718 wird der Fluss der thermischen Energie geregelt.

Ebenso kann eine Ausleitung 721 von Fernwärme 25 bzw. Pro zessdampf erfolgen.

Ebenso kann eine Zusatzbefeuerung 733 im Kessel, insbesonde re mit niederkalorischen Gasen aus Biogasanlagen vorhanden sein und verwendet werden (in allen Ausführungsbeispielen Fig. 2ff). In Figur 8 ist der thermische Energiespeicher 103 gemäß den vorherigen Figuren detailliert dargestellt, bei dem die ein zelnen Module 103a, 103b bis 103n dargestellt sind, die je weils über einen Controller 800a, 800b, ..., 800n verfügen, um die Ansteuerung der einzelnen Module 103a, b, ..., n, insbeson dere deren Abgasklappen 115a, ...n zu ermöglichen.

Die Module 103a, b, ..., n sind daher durch Wände räumlich von einander getrennt.

Es gibt einen Einlass 122 für die heißen Abgase aus der Gas turbine 100 und einen Auslass 142 aus dem thermischen Spei cher zum AHDE 9 des Dampfprozesses.

Ebenso dargestellt ist die Bypass-Leitung 114 hinter dem thermischen Energiespeicher 103 mit einer Abgasklappe 114a.

In der Figur 9 ist eine ähnliche Detaillierung zu Figur 8 dargestellt, bei der Antriebe, insbesondere hydraulische An triebe 120a, 120b, ..., 120n; 112a vorhanden sind, um die Bela dung bzw. Entladung der einzelnen Module 103a bis 103n des thermischen Speichers 103 sowie der Bypass-Leitung 114 anzu steuern.

Ebenso werden Druckmesser 903, 903', 906, 915 und Temperatur messer 909', 909'', 909''', 909 ^IV , 909 ^v und 912 verwendet, um die Belastung/Entlastung zu kontrollieren bzw. zu steuern.

Die Temperatur kann am Einlass 122 mittels Sensoren 909' vor 909'' und hinter 909''' einer Druckmessung 906 gemessen wer den sowie hinter 909 ^IV der Abgasanlage 115a und am Ende 909V des Moduls 103a.

Eine Temperaturmessung 912 und eine Druckmessung 915 ist auch am Auslass 142 sinnvoll.

In Figur 10 ist in Detaillierung zu Figur 9 ein einzelnes Mo dul 103a als ein Beispiel der anderen Module des thermischen Speichers 103 dargestellt. Jedes Modul 103a wird durch eine hydraulisch betriebene Klap pe 120a geöffnet bzw. geschlossen. Der Einlass 122 für das heiße Abgas der Gasturbine 100 in das Speichermodul 103a, dessen Temperatur mittels Temperaturfühler 909'', 909''',

909 ^IV , 909 ^v gemessen. Des Weiteren gibt es am Einlassbereich eine Druckmessung 906.

Das Druckgefälle sowie das Temperaturgefälle innerhalb des thermischen Speichers kann mit einer Differenzdruckmessein richtung 903 und Temperaturfühlern 909'', 909''', die im Ein lassbereich bzw. im Auslassbereich 909 ^v des Moduls 103a ange ordnet sind, bestimmt werden.

Vorzugsweise kann zwischen den einzelnen Elementen und/oder dem Außenbereich der Module eine Isolierung 1001 zwischen den einzelnen Modulen 120a, ...vorhanden sein.

Zum Entladen des Speichers wird die Wärme über den Auslass 142 in Richtung Abhitzekessel AHDE 9 ausgeblasen.

Dabei gibt es auch Sensoren 903, die einen Differenzdruck innerhalb eines Moduls 103a messen.

Der thermische Energiespeicher 103 bzw. die gesamte GuD-An- lage 1 und 1'' kann dazu dienen:

• die gespeicherte thermische Energie 30 mittels AHDE 9 und zumindest einer Dampfturbine 6 wieder zu elektrifi zieren bzw. um Prozessdampf zu erzeugen,

• für die Fernwärmeheizung oder speziell Prozesswärme für Prozessdampfabnehmer zur Verfügung stellen, sowie für den GuD-Prozess frei verwendbar verwendet werden,

• bei dem die Ansaugluft für den Kompressor vorgeheizt wird, um unter Einhaltung der Emissionsgrenzen die Gas turbine in tieferen Teillasten zu fahren,

• den Brennstoff für die Gasturbine vorzuwärmen, um so den Wirkungsgrad zu verbessern,

• um Sperrdampf für die Dampfturbine 6 zu erzeugen,

• zum kontinuierlichen Warmhalten des AHDE 9 bzw. der Dampfturbine 6, wobei insbesondere die letzten Maßnahmen dazu dienen, dass die GuD-Anlage 1, 1'' und/oder die Gasturbine 100 schneller hochgefahren werden kann. Dies ist insbesondere in einem fle xiblen Strommarkt oder Stromnetz sinnvoll und notwendig, bei dem viel erneuerbare Energie 33 im schwankenden Maße ins Netz eingespeist wird.

Der thermische Speicher 103 dient vorzugsweise nicht nur zur Frequenzstabilisierung .

Ein wesentlicher Vorteil des thermischen Speichers 103 liegt darin, dass dieser gemäß Figuren 2 bis 10 auch nachträglich in eine bestehende Anlage integriert werden kann.

Die wesentliche Besonderheit des thermischen Speichers 103 liegt auch in seiner kontrollierten und selektierbaren Aufla dung und Entladung sowie der baulichen Skalierbarkeit ent sprechend den technischen Erfordernissen der Energieerzeu gungsanlage 1, 1''.