DE102013200101A1 - Gas turbine system for generating electrical power by oxyfuel combustion process, has carbon dioxide supply line and fuel supply line to respectively supply carbon dioxide containing fluid medium and gas fuel, over combustion chamber - Google Patents
Gas turbine system for generating electrical power by oxyfuel combustion process, has carbon dioxide supply line and fuel supply line to respectively supply carbon dioxide containing fluid medium and gas fuel, over combustion chamber Download PDFInfo
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft eine Gasturbinenanlage zur Erzeugung von elektrischer Energie mittels eines Verbrennungsprozesses nach dem Oxyfuel-Verfahren, sowie ein dazu gehöriges Verfahren. The invention relates to a gas turbine plant for generating electrical energy by means of a combustion process according to the oxyfuel process, and to a corresponding method.
Um eine zuverlässige Sicherung der elektrischen Energieversorgung in der Zukunft erreichen zu können, ist der Einsatz von Ausgleichskraftwerken erforderlich, die etwa elektrische Energie in die öffentlichen Stromversorgungsnetzwerke zu Zeitpunkten einspeisen können, zu welchen eine stark erhöhte Energienachfrage bzw. eine deutlich reduzierte Stromversorgung durch erneuerbare Energiequellen besteht. Der Einsatz solcher Ausgleichskraftwerke hat technischen Erfordernissen Rechnung zu tragen, als auch wirtschaftlichen und umweltpolitischen. In order to achieve a reliable backup of the electrical energy supply in the future, the use of balancing power plants is required, which can feed about electrical energy in the public power grids at times, which is a greatly increased energy demand or a significantly reduced power supply from renewable energy sources , The use of such compensatory power plants has to take into account technical requirements, as well as economic and environmental policy.
Die wirtschaftlichen Rahmenbedingungen des Betriebs erfordern nicht nur einen allgemein ökonomischen Betrieb eines Ausgleichskraftwerks sondern einen Betrieb, der mitunter speziell auf Ressourcenschonung und Energieeffizienz gerichtet ist. Gleichzeitig erfordern die umweltpolitischen Rahmenbedingungen eine umweltfreundliche Energieerzeugung, die einen nur sehr geringen Eingriff in die Umwelt durch Emission von Verunreinigungen vornimmt. Insbesondere für fossil befeuerte Ausgleichskraftwerke stellen diese Rahmenbedingungen hohe Anforderungen dar. The economic conditions of operation require not only a generally economical operation of a balancing power plant, but also an operation, which is sometimes aimed specifically at resource conservation and energy efficiency. At the same time, the environmental framework requires environmentally friendly energy production, which only minimally interferes with the environment by emitting impurities. Especially for fossil-fueled balancing power plants, these framework conditions are very demanding.
Fossil befeuerte Ausgleichskraftwerke haben im Vergleich zu regenerativen Energiequellen, wie der Wind- oder der Sonnenenergie, den Vorteil, dass sie unabhängig von der Tageszeit bzw. von den Umwelteinflüssen betrieben werden können. Insbesondere wird auf fossil befeuerte Ausgleichskraftwerke zukünftig nicht verzichtet werden können, um Leistungsschwankungen in den öffentlichen Stromversorgungsnetzwerken ausgleichen zu können, vor allem dann, wenn die Schwankungen durch regenerative Energiequellen maßgeblich erzeugt wurden. Ausgleichskraftwerke dieser Art sind insbesondere als Gaskraftwerke bzw. als kombinierte Gas- und Dampfkraftwerke ausgebildet. Fossil-fueled balancing power plants have the advantage over regenerative energy sources, such as wind or solar energy, that they can be operated independently of the time of day or the environmental factors. In particular, fossil-fueled balancing power plants will not be able to be dispensed with in the future in order to be able to compensate for power fluctuations in the public power supply networks, especially if the fluctuations caused by regenerative energy sources were significant. Equalizing power plants of this type are in particular designed as gas-fired power plants or as combined gas and steam power plants.
Um solche fossil befeuerten Ausgleichskraftwerke umweltschonend betreiben zu können, ist eine Verminderung bzw. Vermeidung von umwelt- und klimaschädlichen Abgasen notwendig. Vor allem das als Treibhausgas ausgestoßene Kohlendioxid trägt zu einer negativen Umweltbilanz derartiger fossil befeuerter Ausgleichskraftwerke bei. Um diesen Einfluss des Treibhausgases Kohlendioxid zu vermindern, kann bspw. eine nachträgliche Rauchgaswäsche vorgenommen werden, in welcher nach einem erfolgten Kraftwerksprozess, in dem unter Verbrennung eines fossilen Brennstoffes elektrische Energie erzeugt wird, das entstehende Rauchgas bzw. Abgas durch eine chemische Behandlung mit geeigneten Waschmitteln behandelt wird. Hierbei kann das in dem Rauchgas bzw. Abgas enthaltene Kohlendioxid großteils entfernt werden, so dass der Einfluss des Kohlendioxids auf die Umwelt deutlich vermindert bzw. sogar vermieden werden kann. In order to be able to operate such fossil-fueled balancing power plants in an environmentally friendly manner, a reduction or avoidance of environmentally and climate-damaging exhaust gases is necessary. Above all, the carbon dioxide emitted as a greenhouse gas contributes to a negative environmental balance of such fossil-fueled balancing power plants. To reduce this influence of the greenhouse gas carbon dioxide, for example, a subsequent flue gas scrubbing be made in which after a successful power plant process in which is generated by burning a fossil fuel electrical energy, the resulting flue gas or exhaust gas by a chemical treatment with suitable detergents is treated. Here, the carbon dioxide contained in the flue gas or exhaust gas can be largely removed, so that the influence of carbon dioxide on the environment can be significantly reduced or even avoided.
Die zur Regenration des Waschmittels einer nachgeschalteten Rauchgaswäsche nötige Energie ist verhältnismäßig hoch, weshalb der Kraftwerksprozess an sich nicht mehr ausreichend wirtschaftlich ausgeführt werden kann. Insbesondere da Ausgleichskraftwerke auch zunehmend nur bei Teillast und nicht mehr bei Volllast betrieben werden können, stellt sich die nachträgliche Kohlendioxidabscheidung mittels einer Rauchgaswäsche für ein derartiges Ausgleichskraftwerk als mitunter wirtschaftlich nachteilig dar. The energy required for the regeneration of the detergent of a downstream flue gas scrubbing is relatively high, which is why the power plant process itself can no longer be carried out sufficiently economically. In particular, since compensatory power plants can increasingly only be operated at partial load and no longer at full load, the subsequent carbon dioxide separation by means of a flue gas scrubbing for such a compensating power plant as sometimes economically disadvantageous.
Es erweist sich folglich als technisch erforderlich, eine Art des Ausgleichskraftwerks vorzuschlagen, welches die oben beschriebenen Nachteile des Standes der Technik vermeidet. Insbesondere soll eine Art des Ausgleichskraftwerks vorgeschlagen werden, die hinsichtlich des Betriebs sehr flexibel gestaltet werden kann, als auch hinsichtlich der Wirtschaftlichkeit bzw. der Einflüsse auf die Umwelt besonders vorteilhaft. Weiterhin soll insbesondere eine Gasturbinenanlage zur Erzeugung von elektrischer Energie als Ausgleichskraftwerk vorgeschlagen werden, dessen Betrieb nur geringe oder sogar keine Kohlendioxidemissionen in die Umwelt zur Folge hat. Darüber hinaus werden auch keine NOx- und CO-Emissionen freigesetzt, die insbesondere während einer Teillastfahrweise bei offenen Gasturbinenkreisläufen ein Problem darstellen. Ebenso ergeben sich keine Feinstaubemissionen. It therefore turns out to be technically necessary to propose a type of compensating power plant which avoids the above-described disadvantages of the prior art. In particular, a type of compensatory power plant is to be proposed, which can be made very flexible in terms of operation, as well as in terms of economic efficiency and the effects on the environment particularly advantageous. Furthermore, in particular, a gas turbine plant for the production of electrical energy is to be proposed as a compensating power plant whose operation has little or even no carbon dioxide emissions into the environment. Moreover, no NO x - and CO emissions released that represent particular during partial load operation at open gas turbine cycles a problem. Likewise, there are no particulate matter emissions.
Derartige Ausgleichskraftwerke sollen zudem wirtschaftlich betrieben werden können, wobei insbesondere auch ein Betrieb in einem Stand-by-Modus kostengünstig erfolgen soll. Die vorgeschlagene technische Lösung soll auch ermöglichen, hohe Leistungssprünge in verhältnismäßig kurzen Zeitspannen auszuführen, um auch unerwartete Nachfragen an elektrischer Energie in den öffentlichen Stromversorgungsnetzwerken decken zu können. Zudem ist es wünschenswert, dass das vorzuschlagende Ausgleichskraftwerk eine lange Lebensdauer aufweist, wobei der Betrieb des Ausgleichskraftwerks zu keiner deutlichen Verkürzung der Revisionsintervalle führen soll. Such compensatory power plants should also be able to operate economically, in particular, an operation in a stand-by mode should be cost-effective. The proposed technical solution should also allow to perform high power jumps in relatively short periods of time in order to cover unexpected demand for electrical energy in the public power supply networks. In addition, it is desirable that the proposed compensation power plant has a long life, the operation of the compensating power plant should not lead to a significant reduction in the inspection intervals.
Erfindungsgemäß werden diese der Erfindung zugrunde liegenden Aufgaben durch eine Gasturbinenanlage gemäß Anspruch 1 sowie durch ein Verfahren zum Betrieb einer solchen Gasturbinenanlage gemäß Anspruch 12 gelöst. According to the invention, these objects underlying the invention are achieved by a gas turbine plant according to claim 1 and by a method for operating such a gas turbine plant according to claim 12.
Insbesondere werden diese der Erfindung zugrunde liegenden Aufgaben durch eine Gasturbinenanlage gelöst, die zur Erzeugung von elektrischer Energie mittels eines Verbrennungsprozesses nach dem Oxyfuel-Verfahren vorgesehen ist, umfassend wenigstens eine Verdichtereinheit, wenigstens eine Brennkammer und wenigstens eine Turbineneinheit, die alle sequentiell mittels eines CO2-Strömungskanals miteinander strömungstechnisch verschaltet sind, wobei weiterhin die wenigstens eine Turbineneinheit mit der wenigstens einen Verdichtereinheit über einen CO2-Rezirkulationsabschnitt strömungstechnisch verbunden ist, der dazu ausgebildet ist, dass aus der wenigstens einen Turbineneinheit abgeleitetes CO2-haltiges Strömungsmedium der wenigstens einen Verdichtereinheit wieder zurückgeführt wird, und wobei eine O2-Zuführleitung als auch eine Brennstoffzuführleitung vorgesehen sind, über die die Brennkammer entsprechend mit O2-haltigem Gas und Brennstoff zur Verbrennung versorgt werden kann. In particular, these objects underlying the invention are achieved by a gas turbine plant which is provided for generating electrical energy by means of a combustion process according to the oxyfuel process, comprising at least one compressor unit, at least one combustion chamber and at least one turbine unit, all sequentially by means of a CO 2 Flow channels are interconnected fluidically, further wherein the at least one turbine unit with the at least one compressor unit via a CO 2 recirculation section is fluidly connected, which is adapted to that of at least one turbine unit derived CO 2 -containing flow medium of the at least one compressor unit again is returned, and wherein an O 2 supply line and a fuel supply line are provided, via which the combustion chamber is supplied according to O 2 -containing gas and fuel for combustion n can.
Weiterhin werden diese der Erfindung zugrunde liegenden Aufgaben gelöst durch ein Verfahren zum Betrieb einer Gasturbinenanlage zur Erzeugung von elektrischer Energie mittels eines Verbrennungsprozesses nach dem Oxyfuel-Verfahren, insbesondere einer vorab und nachfolgend beschriebenen Gasturbinenanlage, welches folgende Schritte umfasst:
- – Verdichten eines CO2-haltigen Strömungsmediums mittels wenigstens einer Verdichtereinheit;
- – Zuleiten des so verdichteten Strömungsmediums an wenigstens eine Brennkammer und Verbrennen eines Brennstoffes, O2 zusammen mit dem verdichteten Strömungsmedium als Moderator;
- – Expandieren des Abgases aus der Brennkammer in einer Turbineneinheit zur Erzeugung von elektrischer Energie;
- – Rezirkulieren wenigstens eines Teils des Abgases aus der wenigstens einen Turbineneinheit zum erneuten Verdichten mittels der wenigstens einen Verdichtereinheit.
- - Compressing a CO 2 -containing flow medium by means of at least one compressor unit;
- - Supplying the thus compressed flow medium to at least one combustion chamber and burning a fuel, O 2 together with the compressed flow medium as a moderator;
- Expanding the exhaust gas from the combustion chamber in a turbine unit to generate electrical energy;
- Recirculating at least a part of the exhaust gas from the at least one turbine unit for recompression by means of the at least one compressor unit.
Erfindungsgemäß weist die Gasturbinenanlage wenigstens eine Brennkammer auf, die mit Brennstoff, O2 und CO2-haltigem Strömungsmedium versorgt werden kann, so dass ein Oxyfuel-Verbrennungsverfahren darin erfolgen kann. Aufgrund der Verbrennung des Brennstoffes mit im Wesentlichen reinem Sauerstoff erfolgt eine weitgehend vollständige Verbrennung unter Bildung von CO2 und Wasser als Verbrennungsprodukte. Das in dem CO2-haltigen Strömungsmedium enthaltene CO2 dient während des Verbrennungsvorgangs als Moderator, um den Verbrennungsprozess ausreichend kontrollierbar zu gestalten, wie auch um die Verbrennungstemperaturen im Vergleich zu einer Verbrennung mit reinem O2 ohne Moderator bei geringerem Temperaturniveau ablaufen zu lassen. According to the invention, the gas turbine plant has at least one combustion chamber, which can be supplied with fuel, O 2 and CO 2 -containing flow medium, so that an oxy-fuel combustion process can take place therein. Due to the combustion of the fuel with substantially pure oxygen, a substantially complete combustion takes place with the formation of CO 2 and water as combustion products. The -containing in the CO 2 flow medium contained CO 2 is used during the combustion process as a moderator to make the combustion process sufficiently controllable to have as well as to proceed to the combustion temperatures as compared with a combustion with pure O 2 without moderator at a lower temperature level.
Aufgrund der wenigstens teilweisen Rezirkulierung des Abgases mittels des CO2-Rezirkulationsabschnitts wird das aus der Turbineneinheit abgeleitete Abgas (im Sinne eines CO2-haltigen Strömungsmediums) wenigstens zum Teil wieder der Verdichtereinheit zugeführt. Damit kann während des Verbrennungsprozesses anfallendes CO2 in einem zukünftigen Verbrennungsprozess erneut als Moderator verwendet werden. Darüber hinaus anfallendes CO2 kann entweder einer weiteren Behandlung unterzogen oder aber auch einer weiteren Nutzung, wie bspw. weiter unten beschrieben, zugeführt werden. Gemäß einer auch weiter unten beschriebenen Ausführungsform kann CO2 aus dem CO2-Rezirkulationsabschnitt gezielt entnommen werden, so dass die Umlaufmenge im Wesentlichen konstant gehalten werden kann. Die entnommene Menge ist hierbei insbesondere so groß, dass das bei der Verbrennung zusätzlich entstehende CO2 ausgeschleust werden kann. Mit all diesen Vorkehrungen kann die CO2-Bilanz der erfindungsgemäßen Gasturbinenanlagen noch weiter verbessert werden. Due to the at least partial recirculation of the exhaust gas by means of the CO 2 recirculation section, the exhaust gas derived from the turbine unit (in the sense of a CO 2 -containing flow medium) is at least partially returned to the compressor unit. In this way, CO 2 produced during the combustion process can be used again as a moderator in a future combustion process. In addition, resulting CO 2 can either undergo further treatment or else further use, such as, for example, described below, fed. According to an embodiment described below also CO 2 can be removed from the CO 2 -Rezirkulationsabschnitt specifically, so that the circulation rate can be substantially constant. The amount removed here is in particular so large that the additional CO 2 produced during combustion can be discharged. With all these precautions, the CO 2 balance of the gas turbine plants according to the invention can be further improved.
An dieser Stelle sei darauf hingewiesen, dass die wenigstens eine Verdichtereinheit als eine oder auch als mehrere Verdichtereinheiten ausgebildet sein können. Insofern kann die Verdichtereinheit auch als Verdichterstation ausgeführt sein. Bei Verwendung von wenigstens zwei Verdichtereinheiten kann eine Zwischenkühlung vorgesehen sein. Die hierbei abgeführte Wärme kann etwa für eine Niedertemperaturnutzung Verwendung finden (Fernwärme, Meerwasserentsalzung, Kohletrocknung etc.).Ebenso kann die wenigstens eine Brennkammer als eine oder auch als mehrere Brennkammern ausgebildet sein. Ebenso kann die wenigstens eine Turbineneinheit als eine oder auch als mehrere Turbineneinheiten ausgebildet sein. It should be noted at this point that the at least one compressor unit can be designed as one or more compressor units. In this respect, the compressor unit can also be designed as a compressor station. When using at least two compressor units, an intermediate cooling can be provided. The heat dissipated in this case can be used, for example, for low-temperature use (district heating, seawater desalination, coal drying, etc.) Likewise, the at least one combustion chamber can be designed as one or else as multiple combustion chambers. Likewise, the at least one turbine unit may be formed as one or even as multiple turbine units.
Weiter sei darauf hingewiesen, dass der CO2-Strömungskanal alle strömungstechnisch wesentlichen Teile zwischen der wenigstens einen Verdichtereinheit und der wenigstens einen Turbineneinheit umfasst. Insbesondere sind damit auch die strömungstechnischen Abschnitte der wenigstens einen Verdichtereinheit, der wenigstens einen Brennkammer als auch der wenigstens einen Turbineneinheit mit umfasst. It should also be pointed out that the CO 2 flow channel comprises all flow-related parts between the at least one compressor unit and the at least one turbine unit. In particular, thus also the fluidic sections of the at least one compressor unit, which includes at least one combustion chamber and the at least one turbine unit with.
Der in der wenigstens einen Brennkammer zur Verbrennung vorgesehene Brennstoff, der über die Brennstoffzuführleitung zugeführt wird, kann bspw. Erdgas sein, das aus einem Erdgasnetzwerk entnommen wurde. Ebenso ist es auch möglich, dass der Brennstoff bspw. auch als Methanol bzw. Methan ausgebildet ist. Beide Stoffe können, wie weiter unten beschrieben werden wird, mittels einer Methanisierungsanlage erzeugt bzw. aus einem mit dieser Methanisierungsanlage fluidtechnisch verschalteten Methanspeicher entnommen werden. Der in der wenigstens einen Brennkammer zur Verbrennung vorgesehene Brennstoff ist insbesondere fossil. The fuel provided in the at least one combustion chamber for combustion, which is supplied via the Brennstoffzuführleitung, for example, may be natural gas, which was taken from a natural gas network. Likewise, it is also possible that the fuel is, for example, also formed as methanol or methane. Both substances can, as will be described below, by means of a Methanization generated or taken from a fluidly connected to this methanation Methanspeicheranlage. The fuel provided for combustion in the at least one combustion chamber is in particular fossil.
Aufgrund des in der wenigstens einen Brennkammer erfolgenden Verbrennungsvorganges wird der Brennstoff mit O2 und CO2 als Moderator verbrannt. Das CO2 wird von dem CO2-haltigen Strömungsmedium bereitgestellt und nach der Verbrennung auch wieder mit umfasst. Das CO2-haltige Strömungsmedium wird sowohl in dem CO2-Strömungskanal als auch in dem CO2-Rezirkulationsabschnitt strömungstechnisch geleitet bzw. befindet sich darin. Das CO2-haltige Strömungsmedium umfasst hierbei einen Mindestgehalt an CO2, der jedoch nach Ort in dem CO2-Strömungskanal bzw. in dem CO2-Rezirkulationsabschnitt variieren kann. So ist insbesondere nach Austritt aus der wenigstens einen Turbineneinheit zu Beginn des CO2-Rezirkultationsabschnitts ein geringerer CO2-Gehalt zu erwarten, als bspw. in einem davon stromabwärts angeordneten Abschnitt, der bspw. stromabwärts hinter einer Abscheidungsvorrichtung für Wasser angeordnet ist. Da nämlich aufgrund der Wasserabscheidung in dem CO2-haltigen Strömungsmedium das Verbrennungsprodukt Wasser aus dem Strömungsmedium durch Abscheidung größtenteils entfernt wird, steigt der relative Gehalt an CO2 im Vergleich zu der Gesamtmenge der verbleibenden Stoffe in dem Strömungsmedium an. Due to the combustion process taking place in the at least one combustion chamber, the fuel is burnt with O 2 and CO 2 as moderator. The CO 2 is provided by the CO 2 -containing flow medium and also included again after the combustion. The CO 2 -containing flow medium is fluidically conducted or is located both in the CO 2 flow channel and in the CO 2 recirculation section. The CO 2 -containing flow medium in this case comprises a minimum content of CO 2 , which, however, may vary according to location in the CO 2 flow channel or in the CO 2 recirculation section. Thus, especially after leaving the at least one turbine unit at the beginning of the CO 2 recirculation section, a lower CO 2 content is to be expected than, for example, in a section arranged downstream therefrom which, for example, is arranged downstream of a deposition device for water. Namely, because of the water separation in the CO 2 -containing flow medium, since the combustion product of water is largely removed from the flow medium by deposition, the relative content of CO 2 increases in comparison with the total amount of remaining matter in the flow medium.
Ausführungsgemäß kann das CO2-haltige Strömungsmedium reines CO2 sein, wird dies jedoch aufgrund der technischen Rahmenbedingungen im Normalfall nicht sein. Vielmehr umfasst das CO2-haltige Strömungsmedium einen Mindestgehalt von 20 Vol.-% an CO2, bevorzugt sogar einen Mindestgehalt von 40 Vol.-%. Neben Wasser, welches aufgrund des Oxyfuel-Verbrennungsprozesses ebenfalls in dem Abgas entsteht, sind typischerweise auch noch CO sowie Stickoxide und Schwefeloxide als Verunreinigungen in geringen Spuren vorhanden. Diese umfassen typischerweise einen im Vergleich zum CO2 geringeren Volumenanteil. Somit befinden sich im CO2-Rezirkulationsabschnitt neben CO2 auch noch Wasserdampf und sehr geringe Mengen an CO, NOx, SOx, etc.. According to the embodiment, the CO 2 -containing flow medium can be pure CO 2 , but this will normally not be the case due to the technical conditions. Rather, the CO 2 -containing flow medium comprises a minimum content of 20% by volume of CO 2 , preferably even a minimum content of 40% by volume. In addition to water, which also arises in the exhaust gas due to the oxy-fuel combustion process, CO and nitrogen oxides and sulfur oxides are typically also present as impurities in small traces. These typically include a lower volume fraction compared to CO 2 . Thus, in addition to CO 2, there are also steam and very small amounts of CO, NO x , SO x , etc. in the CO 2 recirculation section.
Entsprechend einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass die wenigstens eine Verdichtereinheit und die wenigstens eine Turbineneinheit mechanisch voneinander entkoppelt sind. Gemäß dieser Ausbildung ist es möglich, dass beide Einheiten bei unterschiedlichen Drehzahlen unabhängig voneinander betrieben werden, wodurch eine erhöhte Flexibilität der Gesamtanlage gewährleistet ist. According to a preferred embodiment of the invention it is provided that the at least one compressor unit and the at least one turbine unit are mechanically decoupled from each other. According to this embodiment, it is possible that both units are operated independently of each other at different speeds, whereby increased flexibility of the entire system is ensured.
Aufgrund des in der Gasturbinenanlage vorgenommenen Verbrennungsprozesses nach dem Oxyfuel-Verfahren wird eine der Verbrennung nachgelagerte Rauchgaswäsche zur Vermeidung von CO2 mitunter überflüssig. Aufgrund der Rezirkulierung des CO2s sowie auch aufgrund der sich in dem Abgas der Verbrennung befindlichen Verunreinigungen wie CO, Stickoxide und Schwefeloxide kann eine weniger durch Emission von Schadstoffen belastende Betriebsweise gewählt werden. Due to the combustion process carried out in the gas turbine plant according to the oxyfuel process, flue gas scrubbing downstream of the combustion is sometimes superfluous to avoid CO 2 . Due to the recirculation of the CO 2 s and also due to the located in the exhaust gas of the combustion impurities such as CO, nitrogen oxides and sulfur oxides can be selected less polluting emission mode operation.
Zusätzlich kann das Teillastverhalten der Gasturbinenanlage deutlich verbessert werden. Typischerweise werden bei diesem Verfahren auch keine NOx und CO-Emissionen freigesetzt. Insbesondere auch durch die mechanische Entkopplung der wenigstens einen Verdichtereinheit und der wenigstens einen Turbineneinheit können die Schaufelfrequenzen so abgestimmt werden, dass Frequenzen von 5 bis 10 Hz unter der Nennfrequenz gefahren werden können, da eine Abstimmung der beiden Einheiten hinsichtlich der Drehzahlen aufeinander nicht erfolgen muss. Dies ermöglicht eine sehr wirkungsvolle Frequenzstützung. In addition, the partial load behavior of the gas turbine plant can be significantly improved. Typically, NO x and CO emissions are also released in this process. In particular, by the mechanical decoupling of the at least one compressor unit and the at least one turbine unit, the blade frequencies can be tuned so that frequencies of 5 to 10 Hz can be driven below the nominal frequency, since a vote of the two units with respect to the rotational speeds must not take place on each other. This allows a very effective frequency support.
Folglich kann auch aus einem Stand-by-Betrieb ein schnelles Anfahren der wenigstens einen Turbineneinheit vorgenommen werden, wodurch verhältnismäßig kurzzeitig elektrische Energie erzeugt und bereitgestellt werden kann. Aufgrund der mechanischen Entkopplung von der wenigstens einen Verdichtereinheit und der wenigstens einen Turbineneinheit kann zudem ein wirtschaftlicher Stand-by-Betrieb unterstützt werden, während dem nur geringe Mengen an Brennstoff verbraucht werden müssen, um die Turbine auch während des Stand-by-Betriebs auf einem Temperaturniveau nahe der Betriebstemperatur zu halten. Verbessert wird das Anfahrverhalten überdies, wenn noch eine Heizvorrichtung, wie weiter unten beschrieben, vorgesehen wird, mit deren Hilfe die Komponenten der Turbineneinheit und/oder des Rekuperators nahe der Betriebstemperatur gehalten werden kann. Consequently, a fast start-up of the at least one turbine unit can also be carried out from a stand-by mode, as a result of which electrical energy can be generated and provided relatively briefly. Due to the mechanical decoupling of the at least one compressor unit and the at least one turbine unit, in addition, an economical stand-by operation can be supported, during which only small amounts of fuel must be consumed in order to keep the turbine even during stand-by operation on a Temperature level to keep near the operating temperature. Moreover, the starting behavior is improved if a heating device, as described below, is provided, with the aid of which the components of the turbine unit and / or the recuperator can be kept close to the operating temperature.
Gemäß einer weiteren besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass mit dem CO2-Strömungskanal und dem CO2-Rezirkulationsabschnitt ein Rekuperator fluidtechnisch verschaltet ist, der zur Wärmeübertragung zwischen dem Strömungsmedium in dem CO2-Strömungskanal und dem Strömungsmedium in dem CO2-Rezirkulationsabschnitt ausgebildet ist. Insbesondere ist der Rekuperator zwischen der wenigstens einen Verdichtereinheit und der wenigstens einen Brennkammer in dem CO2-Strömungskanal verschaltet. Der Rekuperator erlaubt die Übertragung von Wärme aus dem Abgas, welches aus der Brennkammer abgeleitet und in den CO2-Rezirkulationsabschnitt eingeleitet wurde, auf das CO2-haltige Strömungsmedium, welches in den CO2-Strömungskanal geleitet wird. Insbesondere wird die Wärme auf das Strömungsmedium vor Einleiten in die Brennkammer übertragen, so dass die dem Strömungsmedium zusätzlich übertragene thermische Energie während des Verbrennungsvorganges vorteilhaft genutzt und nachfolgend als thermische Energie wieder zur Verfügung stehen kann. According to a further particularly preferred embodiment of the invention, it is provided that a recuperator is fluidically connected to the CO 2 flow channel and the CO 2 recirculation section, which is used for heat transfer between the flow medium in the CO 2 flow channel and the flow medium in the CO 2 . Rezirkulationsabschnitt is formed. In particular, the recuperator is connected between the at least one compressor unit and the at least one combustion chamber in the CO 2 flow channel. The recuperator allows the transfer of heat from the exhaust gas, which was derived from the combustion chamber and introduced into the CO 2 recirculation section, to the CO 2 -containing flow medium, which flows into the CO 2 flow channel is directed. In particular, the heat is transferred to the flow medium before it is introduced into the combustion chamber, so that the thermal energy additionally transmitted to the flow medium can be advantageously utilized during the combustion process and subsequently be available again as thermal energy.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass mit dem CO2-Strömungskanal ein Wärmespeicher wärmetechnisch verschaltet ist, welcher zur Wärmespeicherung von thermischer Energie aus dem in dem CO2-Strömungskanal geleiteten Strömungsmedium ausgebildet ist. Hierbei ist der Wärmespeicher insbesondere zwischen der Verdichtereinheit und der Brennkammer in dem CO2-Strömungskanal fluidtechnisch verschaltet. Die in dem Wärmespeicher zwischengespeicherte thermische Energie kann zeitlich später wieder für eine anlageninterne aber auch für eine anlagenexterne Nutzung entnommen werden. Insbesondere kann die in dem Wärmespeicher zwischengespeicherte thermische Energie zur Gaserwärmung genutzt werden. Der Wärmespeicher kann insbesondere auch während des Stand-by-Betriebs von diversen möglichen anderen Energiequellen zusätzlich mit Wärme versorgt werden, etwa Abwärme aus einer Methanolsynthese, Strom aus elektrischer Überschussenergie, aus einer Kohleverbrennung (ggf. betrieben nach einem Oxyfuel-Verfahren). Die so in dem Wärmespeicher eingebrachte thermische Energie kann dann nachfolgend insbesondere während der regulären Betriebsphase wieder auf das CO2-haltige Strömungsmedium übertragen werden. Die Dampfturbine kann unter solchen Betriebsbedingungen ggf. mit reduzierter Last betrieben werden. Dies erfolgt typischerweise während des Stand-by-Betriebs. According to a further embodiment of the invention it is provided that with the CO 2 flow channel, a heat storage is thermally connected, which is designed for heat storage of thermal energy from the guided in the CO 2 flow channel flow medium. In this case, the heat storage is in particular fluidly interconnected between the compressor unit and the combustion chamber in the CO 2 flow channel. The stored in the heat storage thermal energy can be removed later in time for a plant internal but also for an external use. In particular, the heat stored in the heat storage thermal energy can be used for gas heating. The heat storage can be additionally supplied with heat in particular during stand-by operation of various possible other energy sources, such as waste heat from a methanol synthesis, electricity from excess electrical energy, from a coal combustion (possibly operated by an oxyfuel process). The thermal energy introduced in the heat accumulator can then be transferred back to the CO 2 -containing flow medium, in particular during the regular operating phase. If necessary, the steam turbine can be operated under reduced operating conditions under such operating conditions. This typically occurs during stand-by operation.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass die O2-Zuführleitung fluidtechnisch mit einer Elektrolyseanlage verschaltet ist, welche die elektrolytische Zersetzung von Wasser in H2 und O2 ermöglicht. Insbesondere kann das in dieser Elektrolyseanlage elektrolytisch erzeugte O2 in die O2-Zuführleitung eingeleitet und der wenigstens einen Brennkammer zur Verbrennung nach dem Oxyfuel-Verfahren zugeleitet werden. Die Elektrolyseanlage wird hierbei bevorzugt mit Überschussstrom aus regenerativen Energiequellen betrieben. Zudem ist es möglich, wie weiter unten noch ausgeführt werden wird, den Sauerstoff in einem Speicher, insbesondere in einem Kombi-Speicher zu bevorraten, so dass er zeitlich nachfolgend dem Verbrennungsprozess in der Brennkammer etwa dann zur Verfügung gestellt werden kann, wenn kein Überschussstrom zur Verfügung steht. Ausführungsgemäß erlaubt also die Herstellung von O2 sowie die nachfolgende Einleitung dieses so elektrolytisch hergestellten O2 in die O2-Zuführleitung eine geeignete Versorgung des Oxyfuel-Verbrennungsprozesses in der Brennkammer. According to a further preferred embodiment of the invention it is provided that the O 2 supply line is fluidly connected to an electrolysis system, which allows the electrolytic decomposition of water in H 2 and O 2 . In particular, the O 2 electrolytically produced in this electrolysis plant can be introduced into the O 2 supply line and fed to the at least one combustion chamber for combustion by the oxy-fuel process. The electrolysis plant is preferably operated here with excess current from renewable energy sources. In addition, it is possible, as will be explained below, to store the oxygen in a store, in particular in a combi store, so that it can be made available to the combustion process in the combustion chamber at about the time when no surplus stream is available Available. Thus, according to the embodiment, the production of O 2 and the subsequent introduction of this so electrolytically produced O 2 into the O 2 supply line allows a suitable supply of the oxy-fuel combustion process in the combustion chamber.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass mit dem CO2-Rezirkulationsabschnitt ein Ableitungsabschnitt fluidtechnisch verschaltet ist, über welchen Strömungsmedium aus dem CO2-Rezirkulationsabschnitt abgeleitet werden kann, wobei der Ableitungsabschnitt insbesondere dazu ausgebildet ist, das so entnommene Strömungsmedium einem Speicher zuzuführen. Der Ableitungsabschnitt ist somit mit dem Speicher fluidtechnisch verschaltet. Insbesondere wird dadurch über die Ableitung des CO2-haltigen Strömungsmediums CO2 aus dem CO2-Rezirkulationsabschnitt entnommen, der komprimiert oder auch nicht komprimiert bzw. in gespeicherter Form oder auch nicht gespeichert einer weiteren Nutzung zugeführt werden kann. Eine solche Nutzung ist bspw. das nachfolgend beschriebene chemische Verfahren zur Herstellung von Methan bzw. Methanol. Der vorab beschriebene Speicher zur Zwischenspeicherung des CO2-haltigen Strömungsmediums kann insbesondere als ein ebenfalls nachfolgend beschriebener Kombi-Speicher ausgebildet sein. Durch die Entnahme von CO2-haltigem Strömungsmedium aus dem CO2-Rezirkulationsabschnitt kann somit gewährleistet werden, dass ausreichende Mengen an durch die Verbrennung erzeugtem Abgas aus der Gasturbinenanlage abgeleitet werden können und einer weiteren kontrollierten Nutzung zugeführt werden kann. Der Kombi-Speicher kann bspw. als atmosphärischer Speicher oder auch als Druckspeicher ausgelegt sein. Vorteilhaft ist jedoch, wenn der Speicher nährungsweise bei konstantem Druck betrieben wird. According to a further preferred embodiment of the invention, it is provided that a discharge section is fluidically connected to the CO 2 recirculation section, via which flow medium can be discharged from the CO 2 recirculation section, wherein the discharge section is designed in particular for the thus removed flow medium being a reservoir supply. The discharge section is thus fluidly connected to the memory. In particular, CO 2 is removed from the CO 2 recirculation section via the discharge of the CO 2 -containing flow medium which can be compressed or else not compressed or can be supplied in stored form or else not stored to a further use. Such a use is, for example, the chemical process described below for the production of methane or methanol. The previously described memory for temporary storage of the CO 2 -containing flow medium can be designed, in particular, as a combined memory also described below. By removing CO 2 -containing flow medium from the CO 2 -Rezirkulationsabschnitt can thus be ensured that sufficient amounts of exhaust gas generated by the combustion can be derived from the gas turbine plant and a further controlled use can be supplied. The combination memory can be designed, for example, as an atmospheric storage or as an accumulator. It is advantageous, however, if the memory is operated at a constant pressure.
An dieser Stelle sei darauf hingewiesen, dass die Abführung von CO2-haltigem Strömungsmedium in erster Linie der Abführung von CO2 aus dem CO2-Rezirkulationsabschnitt dient. Ausführungsgemäß ist es jedoch auch möglich, Strömungsmedium zu entnehmen, in welchem gasförmiges Wasser, d.h. Wasserdampf umfasst ist. Dieses kann ausführungsgemäß auch nach Ableitung über einen Ableitungsabschnitt gezielt entfernt und für weitere Nutzung gewonnen werden. It should be noted at this point that the removal of CO 2 -containing flow medium primarily serves to remove CO 2 from the CO 2 recirculation section. However, according to the embodiment, it is also possible to take flow medium in which gaseous water, ie water vapor, is included. This can be specifically removed and derived for further use, even after derivation via a derivative section.
Gemäß einer weiteren Idee der Erfindung ist vorgesehen, dass mit dem CO2-Rezirkulationsabschnitt eine Abscheidungsvorrichtung fluidtechnisch verschaltet ist, welche dazu ausgebildet ist, Wasser aus dem in dem CO2-Rezirkulationsabschnitt befindlichen Strömungsmedium abzuscheiden. Die Abscheidung erfolgt insbesondere mittels Kondensation an einer Kältequelle, welche in der Abscheidungsvorrichtung angeordnet ist. Das so abgeschiedene Wasser ist typischerweise flüssiges Wasser und kann nach der Abscheidung dem Verbrennungsprozess in der Brennkammer erneut, bspw. als Moderator, zugeführt werden, wobei damit ein hinsichtlich des Wasserverbrauchs Ressourcen schonender Betrieb der Gasturbinenanlage realisiert werden kann. Ebenfalls ist es möglich, das so abgeschiedene Wasser der wenigstens einen Brennkammer in dampfförmiger Form zuzugeben, so dass bei Expansion über die wenigstens eine Turbineneinheit ein vergrößerter Massenstrom an expandiertem Gas resultiert. Die Wasserabscheidung dient bevorzugt auch nach Wiederverwendung des Wassers dem Zweck, die Wasserbilanz des Gesamtprozesses zu verbessern. Die Hauptzufuhr von Wasser kann insbesondere stromaufwärts vor dem weiter oben beschriebenen Rekuperator erfolgen, da die Zufuhr dort thermodynamisch sehr vorteilhaft ist. According to a further idea of the invention, it is provided that a separation device is fluidly connected to the CO 2 recirculation section, which is designed to separate water from the flow medium located in the CO 2 recirculation section. The deposition takes place in particular by means of condensation at a cold source, which is arranged in the deposition device. The water thus separated is typically liquid water and, after deposition, can be reintroduced to the combustion process in the combustion chamber, for example as a moderator, with a view to the matter of Water consumption resources gentle operation of the gas turbine plant can be realized. It is likewise possible to add the thus separated water to the at least one combustion chamber in vaporous form, so that an expansion of the at least one turbine unit results in an increased mass flow of expanded gas. The water separation is preferably also after reuse of the water the purpose to improve the water balance of the overall process. In particular, the main supply of water can take place upstream of the recuperator described above, since the supply there is thermodynamically very advantageous.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass weiterhin ein Kombi-Speicher umfasst ist, welcher einen ersten Ableitungsabschnitt aufweist, über welchen ein erstes Speichermedium aus dem Kombi-Speicher abgeleitet werden kann, sowie einen ersten Zuleitungsabschnitt, über welchen dieses erste Speichermedium dem Kombi-Speicher zugeführt werden kann, und welcher einen zweiten Ableitungsabschnitt aufweist, über welchen ein zweites Speichermedium aus dem Kombi-Speicher abgeleitet werden kann, sowie einen zweiten Zuleitungsabschnitt, über welchen dieses zweite Speichermedium dem Kombi-Speicher zugeführt werden kann, wobei der erste Ableitungsabschnitt mit der Brennkammer und/oder dem CO2-Strömungskanal fluidtechnisch gekoppelt ist. Insbesondere ist das erste Speichermedium O2 bzw. O2-haltiges Gas, welches bevorzugt mittels der Elektrolyseanlage elektrolytisch erzeugt wurde, und welches aus dem Kombi-Speicher abgeleitet und der Oxyfuel-Verbrennung in der wenigstens einen Brennkammer zugeleitet wird. Das zweite Strömungsmedium ist insbesondere CO2 bzw. ein CO2-haltiges Strömungsmedium, welches bspw. einer nachfolgend beschriebenen Methanisierungsanlage zugeleitet werden kann, bzw. einer anderen Nutzung des CO2s zugeführt werden kann. Das in dem Kombi-Speicher gespeicherte zweite Speichermedium ist insbesondere aus dem CO2-Strömungskanal und/oder dem CO2-Rezirkulationsabschnitt ausgeleitetes CO2 bzw. CO2-haltiges Strömungsmedium. According to a further preferred embodiment of the invention it is provided that further comprises a combi-memory having a first derivative portion, via which a first storage medium can be derived from the combi memory, and a first lead portion, via which this first storage medium the Combination memory can be supplied, and which has a second discharge section, via which a second storage medium can be derived from the combi memory, and a second supply section, via which this second storage medium can be supplied to the combi memory, wherein the first discharge section is fluidly coupled to the combustion chamber and / or the CO 2 flow channel. In particular, the first storage medium is O 2 or O 2 -containing gas, which was preferably produced electrolytically by means of the electrolysis plant, and which is derived from the combi-storage and fed to the oxy-fuel combustion in the at least one combustion chamber. The second flow medium is in particular CO 2 or a CO 2 -containing flow medium, which can be supplied, for example, to a methanization plant described below, or can be supplied to another use of the CO 2 s. The stored in the combi memory second storage medium is in particular from the CO 2 flow channel and / or the CO 2 -Rezirkulationsabschnitt discharged CO 2 or CO 2 -containing flow medium.
Gemäß einer weiterführenden Ausführungsform kann der erste Ableitungsabschnitt mit dem zweiten Ableitungsabschnitt identisch sein, bzw. von diesem umfasst sein. Ebenso ist es nach einer ebenfalls weiter führenden Ausführungsform möglich, dass der erste Zuleitungsabschnitt mit dem zweiten Zuleitungsabschnitt identisch ist, bzw. von diesem umfasst ist. According to a further embodiment, the first derivation section may be identical to the second derivation section or may be encompassed by it. Likewise, according to a likewise further embodiment, it is possible for the first supply line section to be identical to the second supply line section or to be encompassed by it.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung kann der Kombi-Speicher auch als Druckspeicher ausgebildet sein, der insbesondere für einen Druckbereich für 15 bis 25 bar geeignet ist. Da die Gasturbinenanlage zeitlich variierend zu einer Energieerzeugung von elektrischer Energie betrieben wird, ist der Kombi-Speicher besonders geeignet für einen variierenden und mit einem weiteren Prozess zeitlich gekoppelten Betrieb. Die verschiedenen Betriebsmodi (Anfahrbetrieb, Last- und Teillastbetrieb und Stand-by-Betrieb) werden nachfolgend im Detail erklärt. According to one embodiment of the invention, the combination memory can also be designed as a pressure accumulator, which is particularly suitable for a pressure range of 15 to 25 bar. Since the gas turbine plant is operated in a time-varying manner to generate energy from electrical energy, the combi storage is particularly suitable for a varying operation coupled in time with another process. The various operating modes (start-up, load and part-load operation and stand-by operation) are explained in detail below.
Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass weiterhin eine Methanisierungsanlage umfasst ist, welcher CO2-haltiges Strömungsmedium über einen ersten Leitungsabschnitt sowie H2 über einen zweiten Leitungsabschnitt zugeführt werden kann, wobei der erste Leitungsabschnitt mit dem CO2-Strömungskanal, CO2-Rezirkulationsabschnitt und/oder dem Kombi-Speicher fluidtechnisch gekoppelt ist. Das CO2 entspricht hierbei bevorzugt dem bei der Elektrolyse frei werdenden gasförmigen H2, welches aus der Elektrolyseanlage abgleitet wird. Dieses H2 kann ggf. nach der Elektrolyse in einen Speicher zur Zwischenspeicherung eingeleitet werden. Die Methanisierungsanlage erlaubt hierbei die chemische Synthese von Methanol bzw. Methan aus H2 und CO2 bzw. aus H2 und CO. Alternativ oder auch zusätzlich kann die chemische Synthese von Methanol in der Methanisierungsanlage vorgenommen werden. Das so hergestellte Methan bzw. Methanol kann gemäß einer weiterführenden Ausführungsform der Erfindung in einem Methan-/Methanolspeicher zwischengespeichert werden, wobei der Methan-/Methanolspeicher mit der Methanisierungsanlage fluidtechnisch verschaltet ist. Ebenso kann die Methanisierungsanlage auch die Synthese von Brennstoffen allgemein ermöglichen. Eine Einschränkung auf Methan bzw. Methanol ist hierbei nicht grundsätzlich erforderlich. According to a particularly preferred embodiment of the invention, it is further provided that a methanation plant is included, which CO 2 -containing flow medium can be supplied via a first line section and H 2 via a second line section, wherein the first line section with the CO 2 flow channel, CO 2 -Rezirkulationsabschnitt and / or the combination memory fluidly coupled. The CO 2 in this case preferably corresponds to the gaseous H 2 liberated during the electrolysis, which is derived from the electrolysis plant. This H 2 may optionally be introduced after the electrolysis in a memory for temporary storage. The methanation plant allows the chemical synthesis of methanol or methane from H 2 and CO 2 or from H 2 and CO. Alternatively or additionally, the chemical synthesis of methanol in the methanation can be made. The methane or methanol thus prepared can be temporarily stored in a methane / methanol reservoir according to a further embodiment of the invention, wherein the methane / methanol storage is fluidly connected to the methanation. Likewise, the methanation plant can also enable the synthesis of fuels in general. A restriction to methane or methanol is not required in principle.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung kann die Methanisierungsanlage auch durch einen Hydrolyseanlage ersetzt sein. According to a further embodiment of the invention, the methanation plant may also be replaced by a hydrolysis plant.
Bei Betrieb der Gasturbinenanlage ist es nun möglich, das so hergestellte Methan entweder für die zeitlich nachfolgende Verbrennung in der wenigstens einen Brennkammer mittels des Oxyfuel-Verfahrens vorzusehen, bzw. in ein Erdgasnetz für die externe Nutzung einzuspeisen. Sollte das höherwertige Methanol mit Hilfe der Methanisierungsanlage hergestellt werden, kann dieses ebenfalls extern als Benzinergänzungsmittel oder als Treibstoff für Brennstoffzellen verwendet werden. Ebenfalls ist es denkbar, dieses als Brennstoff für eine Verbrennung in der wenigstens einen Brennkammer vorzusehen. During operation of the gas turbine plant, it is now possible to provide the methane produced in this way either for the subsequent combustion in the at least one combustion chamber by means of the oxyfuel process, or to feed it into a natural gas network for external use. If the higher-grade methanol is produced with the help of the methanation plant, this can also be used externally as a gasoline supplement or as a fuel for fuel cells. It is also conceivable to provide this as fuel for combustion in the at least one combustion chamber.
Ausführungsgemäß wird die Methanisierungsanlage lediglich während des Stand-by-Betriebs der Gasturbinenanlage, insbesondere bei Volllast, betrieben, wobei das so erzeugte Methan bzw. Methanol etwa in einem wie bspw. oben beschriebenen Methan- bzw. Methanolspeicher zwischengespeichert werden kann, aus welchem später zu einem weiteren Zeitpunkt dieses wieder als Brennstoff der Brennkammer zugeleitet werden kann. According to the embodiment, the methanation plant is operated only during the standby operation of the gas turbine plant, in particular at full load, with the methane or methanol thus produced being approximately in a position such as, for example, above described methane or methanol storage can be temporarily stored, from which later at a further time this can be fed again as fuel of the combustion chamber.
Entsprechend einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass weiterhin ein Dampfturbinenteil von der Gasturbinenanlage umfasst ist, welches wärmetechnisch mit der wenigstens einen Turbineneinheit und/oder dem CO2-Rezirkulationsabschnitt der Gasturbinenanlage derart wärmetechnisch verschaltet ist, dass die Dampfbereitung in dem Dampfturbinenteil wenigstens teilweise mittels aus der wenigstens einen Turbineneinheit und/oder dem CO2-Rezirkulationsabschnitt entnommener Wärme erfolgen kann. Das Dampfturbinenteil kann zudem bevorzugt durch den Betrieb einer Kohlebefeuerung in einer Feststoffbrennkammer, die ebenfalls im Oxyfuel-Verfahren betrieben wird, unterstützt werden. Das Dampfturbinenteil erlaubt somit die weitere Nutzung der bei der Verbrennung in der wenigstens einen Brennkammer anfallenden thermischen Energie zur elektrischen Energieerzeugung. According to a further embodiment of the invention, it is further provided that a steam turbine part is comprised by the gas turbine plant, which is thermally thermally connected with the at least one turbine unit and / or the CO 2 recirculation section of the gas turbine plant such that the steam preparation in the steam turbine section is at least partially by means of from the at least one turbine unit and / or the CO 2 recirculation section removed heat can take place. The steam turbine part can also be supported by the operation of a coal firing in a solid fuel chamber, which is also operated in the oxyfuel process, preferably. The steam turbine part thus allows the further use of the resulting in the combustion in the at least one combustion chamber thermal energy for electrical energy production.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass der CO2-Strömungskanal und/oder die Methanisierungsanlage mit einer Vorrichtung zur Entnahme von Niedertemperaturwärme wärmetechnisch verschaltet ist. Niedertemperaturwärme betrifft hierbei insbesondere Wärme, die bei einem Temperaturniveau von wenigstens 150 °C gehalten bzw. geleitet wird. Speziell kann als Heizmedium zur Vermittlung der Niedertemperaturwärme Wasser vorgesehen sein, welches ein Temperaturniveau von ca. 20°C bis zu 120°C, ggf. auch bis zu 200°C aufweist. Die Vorrichtung zur Entnahme von Niedertemperaturwärme ist bspw. ein Anschluss an ein Fernwärmenetzwerk. Speziell ist die wärmetechnische Verschaltung mit einer Zwischenkühlung zwischen zwei Verdichtereinheiten, etwa einer einzigen Verdichterstation des CO2-Strömungskanals verwirklicht. Durch die Entnahme von Niedertemperaturwärme kann in der Gasturbinenanlage nicht weiter genutzte Niedertemperaturwärme nutzbar gemacht werden, wodurch der gesamte Wirkungsgrad des Betriebs der Gasturbinenanlage verbessert werden kann. Ein Teil der Wärme für eine Niedertemperaturnutzung (Fernwärme, Meerwasserentsalzung, Kohletrocknung etc) kann aus der Verdichterzwischenkühlung während der Betriebsphase entnommen werden. Ein anderer Teil kann bspw. auch aus der Methanolsynthese bezogen werden. According to a further preferred embodiment of the invention, it is provided that the CO 2 flow channel and / or the methanization system is thermally connected with a device for removing low-temperature heat. In this case, low-temperature heat relates, in particular, to heat which is maintained or conducted at a temperature level of at least 150 ° C. Specifically, water may be provided as the heating medium for imparting the low-temperature heat, which has a temperature level of about 20 ° C up to 120 ° C, possibly up to 200 ° C. The device for removing low-temperature heat is, for example, a connection to a district heating network. Specifically, the thermal connection is realized with an intermediate cooling between two compressor units, such as a single compressor station of the CO 2 flow channel. By removing low-temperature heat, low-temperature heat which is not used further in the gas turbine plant can be utilized, so that the overall efficiency of the operation of the gas turbine plant can be improved. Part of the heat for low temperature use (district heating, seawater desalination, coal drying etc) can be taken from the intercooler during the operating phase. Another part may, for example, also be obtained from the methanol synthesis.
Entsprechend einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass weiterhin eine Heizvorrichtung umfasst ist, welche mit dem CO2-Strömungskanal und/oder dem CO2-Rezirkulationsabschnitt wärmetechnisch verschaltet ist, so dass das in dem CO2-Strömungskanal bzw. dem CO2-Rezirkulationsabschnitt befindliche Strömungsmedium erwärmt werden kann. Ein Erwärmen umfasst hierbei auch ein Vorwärmen oder eine Warmhalten. Die Erwärmung erfolgt insbesondere hierbei auf ein Temperaturniveau, welches lediglich um bspw. 200 °C unter dem Betriebstemperaturniveau liegt. Die Erwärmung betrifft hierbei insbesondere eine Erwärmung der Turbineneinheit und/oder des Rekuperators. Das Betriebstemperaturniveau entspricht hierbei dem Betriebstemperaturniveau des Abschnittes, an welchem sich die Heizvorrichtung befindet. Die Heizvorrichtung wird typischerweise während des Stand-by-Betriebs eingesetzt. Wird ein Wärmespeicher, wie oben bereits ausgeführt, verwendet, kann eventuell die Heizvorrichtung ganz entfallen. According to a further preferred embodiment of the invention, it is provided that, furthermore, a heating device is included, which is thermally connected to the CO 2 flow channel and / or the CO 2 recirculation section, so that the in the CO 2 flow channel or the CO 2 -Rezirkulationsabschnitt located flow medium can be heated. Heating also includes preheating or keeping warm. The heating takes place in particular in this case to a temperature level which is only, for example, 200 ° C below the operating temperature level. The heating in this case relates in particular to a heating of the turbine unit and / or the recuperator. The operating temperature level corresponds to the operating temperature level of the section at which the heating device is located. The heater is typically used during stand-by operation. If a heat storage, as already stated above, used, the heater may be completely eliminated.
Die Heizvorrichtung dient insbesondere der thermischen Konditionierung des Strömungsmediums, um vor allem die Gasturbinenanlage während eines Stand-by-Betriebs auf ausreichender Betriebstemperatur zu halten und um somit die Anfahrdauer während eines Anfahrbetriebs verkürzen zu können. Folglich weist die ausführungsgemäße Anlage eine erhöhte Flexibilisierung auf. Die Heizvorrichtung ist gemäß einer Weiterbildung dieser Idee mit dem Wärmespeicher wärmetechnisch verschaltet, so dass aus dem Wärmespeicher thermische Energie zur thermischen Konditionierung des Wärmemediums entnommen werden kann. Die Heizeinrichtung kann auch von einer weiteren Wärmequelle gespeist werden, bspw. auch unter Verwendung von Überschussstrom. The heating device is used in particular for the thermal conditioning of the flow medium in order, above all, to keep the gas turbine plant at a sufficient operating temperature during stand-by operation and thus to be able to shorten the start-up duration during a start-up operation. Consequently, the embodiment according to the invention has increased flexibility. The heater is thermally connected according to a development of this idea with the heat storage, so that from the heat storage thermal energy for thermal conditioning of the heat medium can be removed. The heating device can also be fed by a further heat source, for example, also using excess current.
Gemäß einer konkreten Ausführungsform der Erfindung ist die Heizvorrichtung als Gebläse ausgeführt, welches zwischen Brennkammer und Turbineneinheit verschaltet ist. Hierbei kann die Verschaltung in dem CO2-Strömungskanal oder auch parallel dazu erfolgen. Insbesondere bei einer Ausführungsform der Gasturbinenanlage, bei welcher die wenigstens eine Verdichtereinheit und die wenigstens eine Turbineneinheit mechanisch entkoppelt sind, kann die Heizvorrichtung zu einem besonders effizienten Betrieb beitragen. Ist nämlich die Gasturbinenanlage starken Leistungsschwankungen durch ein häufiges An- und Abfahren ausgesetzt, kann die Heizvorrichtung während dieser Betriebsänderungen den Betriebstemperaturbereich besser kontrolliert bzw. konstant halten. Folglich kann die Turbineneinheit auch während einer Stand-by-Phase nahe einer Betriebstemperatur gehalten werden, wodurch ein schnelles Anfahren in relativ kürzeren Zeitspannen möglich ist. Zudem ermöglicht die mechanische Entkopplung von Verdichtereinheit und Turbineneinheit eine günstige Nutzung des mit der Turbineneinheit verschalteten Generators für einen so genannten Phasenschieberbetrieb in der Stand-by-Phase. Aufgrund der Heizvorrichtung kann in einer solchen Stand-by-Phase die Betriebstemperatur der Turbineneinheit auf einem Temperaturniveau von oberhalb 600 °C gehalten werden, wodurch auch eine Lebensdauerverlängerung der betriebstechnischen Bauteile mit einhergeht. According to a specific embodiment of the invention, the heating device is designed as a fan, which is connected between the combustion chamber and the turbine unit. In this case, the interconnection can take place in the CO 2 flow channel or also parallel thereto. In particular, in one embodiment of the gas turbine plant, in which the at least one compressor unit and the at least one turbine unit are mechanically decoupled, the heating device can contribute to a particularly efficient operation. If, in fact, the gas turbine plant is exposed to strong power fluctuations due to frequent starting and stopping, the heating device can better control or keep the operating temperature range constant during these operating changes. Consequently, the turbine unit can also be kept close to an operating temperature during a stand-by phase, allowing a quick start-up in relatively shorter time periods. In addition, the mechanical decoupling of compressor unit and turbine unit allows a favorable use of the generator connected to the turbine unit for a so-called phase shift operation in the stand-by phase. Due to the heating device, the operating temperature of the turbine unit can be maintained at a temperature level of above 600 ° C in such a stand-by phase, whereby a Lifetime extension of the operational components associated with.
Nachfolgend soll die Erfindung anhand einiger in den nachfolgenden Figuren abgebildeter Ausführungsbeispiele im Detail erklärt werden. Hierbei ist darauf hinzuweisen, dass die in den Figuren wiedergegebenen Ausführungsformen lediglich schematisch zu verstehen sind, die keiner Einschränkung hinsichtlich der konkreten Ausführbarkeit unterliegen. Below, the invention will be explained in detail with reference to some illustrated in the following figures embodiments. It should be noted that the embodiments shown in the figures are only to be understood schematically, which are not subject to any restriction with regard to the concrete feasibility.
Weiterhin ist darauf hinzuweisen, dass alle Merkmale, die mit gleichen Bezugszeichen versehen werden, gleiche technische Wirkungen aufweisen, soweit nicht anders ausdrücklich angegeben. Furthermore, it should be noted that all features that are provided with the same reference numerals have the same technical effects, unless otherwise stated.
Zudem werden alle in den nachfolgenden Figuren dargestellten Einzelmerkmale für sich alleine wie auch in Zusammensicht mit anderen Merkmalen beansprucht. Hierbei werden auch derartige Kombinationen beansprucht, die sich durch beliebige Kombination von Einzelmerkmalen ergeben, soweit der ausführungsgemäße Gegenstand von der Erfindungsidee noch mit umfasst ist. In addition, all individual features shown in the following figures are claimed on their own as well as in conjunction with other features. In this case, such combinations are claimed which result from any combination of individual features, as far as the subject matter of the invention is still encompassed by the invention.
Hierbei zeigen: Hereby show:
Weiter umfasst die Gasturbinenanlage
Stromabwärts in Bezug auf den Rekuperator
In Bezug auf die Abscheidungsvorrichtung
Weiterhin umfasst die Gasturbinenanlage
Weiterhin umfasst die Gasturbinenanlage
Weiterhin umfasst die Gasturbinenanlage
Weiterhin umfasst die Gasturbinenanlage
Weiterhin umfasst die Gasturbinenanlage
Bei Betrieb der Gasturbinenanlage
Während des Betriebs der Elektrolyseanlage
Bei Betrieb der Gasturbinenanlage
Über den Ableitungsabschnitt
Die einzelnen Funktionsbauteile der Gasturbinenanlage
Ist der Kombi-Speicher
Der Kombi-Speicher
Die Gasturbinenanlage
Ggf. kann der Generator (G) auch als Phasenschieber betrieben werden. Hierzu wäre für eine vorteilhafte Form des Betriebs jedoch erforderlich, die Verdichtereinheit
Wird die Gasturbinenanlage
Während des Stand-by-Betriebs erlaubt nun eine Heizvorrichtung
Während dieser Betriebsphase wird nun die Elektrolyseanlage
In dieser Betriebsphase wird bevorzugt sowohl die elektrolytische Sauerstoff- wie Wasserstoffherstellung als auch die Methan- als auch Methanolsynthese betrieben. In this operating phase, both the electrolytic oxygen and hydrogen production and the methane and methanol synthesis is preferably operated.
Ebenfalls wie in
Ein Teil der gespeicherten Energie im Wärmespeicher
Weitere Merkmale ergeben sich aus den Unteransprüchen. Further features emerge from the subclaims.
Claims (12)
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2013
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