DE19952884A1 - CO¶2¶-Gasturbinenanlage und Verfahren zum Betrieb derselben - Google Patents
CO¶2¶-Gasturbinenanlage und Verfahren zum Betrieb derselbenInfo
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Abstract
Verfahren zum Betrieb eine CO¶2¶-Gasturbinenanlage, die CO¶2¶-Gasturbinenanlage, bestehend aus mindestens einer Brennkammer (2), in welche ein Brennstoff mit Sauerstoff verbrannt wird, mindestens einer Turbine (3) und mindestens einem Generator (5), dadurch gekennzeichnet, dass die Abgase (20) der Gasturbine (3) über einen Wärmetauscher (11) geleitet werden, danach H¶2¶O abgespalten wird, wonach die Abgase (20) in einen Kondensator (4) gelangen, welcher das CO¶2¶ verflüssigt und einen Teil des CO¶2¶ und nicht kondensierbare Gase abschneidet, und der andere Teil des CO¶2¶ über eine Pumpe (1), welche das verflüssigte, unterkritische CO¶2¶ auf einen überkritischen Druck fördert, zur Brennkammer (2) vor der Gasturbine (3) gelangt, wo Rauchgase (21) erzeugt werden, mit denen die Gasturbine (3) betrieben wird.
Description
Bei der Erfindung handelt es sich um eine CO2-Gasturbinenanlage und
Verfahren zum Betrieb derselben.
Maschinen mit innerer Verbrennung verbrennen ihren Brennstoff in
komprimierter Atmosphärenluft und vermischen ihre Verbrennungsgase
inhärent mit dieser Luft und dem nicht ausgenutzten Restsauerstoff. Die fast
immer kohlenstoffhaltigen Brennstoffe erzeugen dabei unter anderen CO2,
welches als Treibhausgas gilt. Die verbreitete Nutzung fossiler Brennstoffe
setzt heute so grosse Mengen von CO2 frei, dass dies in absehbarer Zeit ein
Risiko für das Weltklima darstellen dürfte. Es ist daher bereits eine intensive
Suche nach CO2-freien Technologien im Gange.
Die Stromversorgung ist heute von der Nutzung fossiler Brennstoffenergien in
Maschinen mit innerer Verbrennung bestimmt, wobei die Entsorgung des
stark verdünnten CO2 in die Atmosphäre geschieht.
Eine weitere bekannte Möglichkeit ist die Rezirkulation von abgekühlten
Abgasen in die Ansaugung von Maschinen mit innerer Verbrennung. Dies
kann in einem Ausmass geschehen, dass der Sauerstoff der Luft gerade
aufgebraucht wird. In diesem Fall bleibt das Abgas aber immer noch mit dem
Luftstickstoff vermischt und das CO2-Abscheidungsproblem ist damit nur
marginal verkleinert.
Neben Stickoxiden erzeugen alle luftbetriebenen Verbrennungsmaschinen
auch Stickoxide, welche als Luftschadstoffe wirken, und deren Entstehung mit
kostspieligen Massnahmen bekämpft wird. Problematisch ist weiter bei einem
CO2-Kraftwerk die Abscheidung der in den Prozess eingeschleppten Internet
Gase.
Hier will die Erfindung Abhilfe schaffen. Der Erfindung, wie sie in den
Ansprüchen gekennzeichnet ist, liegt die Aufgabe zugrunde, bei einem
Verfahren und einer Schaltung der eingangs genannten Art das anfallende
CO2 umweltschonend zu entsorgen, gleichzeitig liegt hier der Erfindung die
Aufgabe zugrunde, die ebenfalls anfallenden Luftstickoxide oder andere nicht
kondensierbare Gase zu eliminieren.
Erfindungsgemäss wird die Aufgabe dadurch gelöst, dass die Abgase der
Gasturbine über einen Wärmetauscher geleitet werden, danach H2O
abgespalten wird, wonach die Rauchgas in einen Kondensator gelangen,
welcher das CO2 verflüssigt und einen Teil des CO2 und nicht kondensierbare
Gase abscheidet, und der andere Teil des CO2 über eine Pumpe, welche das
verflüssigte, unterkritische CO2 auf einen überkritischen Druck fördert, zur
Brennkammer vor der Gasturbine gelangt, wo Rauchgase erzeugt werden, mit
denen die Gasturbine betrieben wird.
Die wesentlichen Vorteile der Erfindung sind darin zu sehen, dass hier ein
Verfahren vorgeschlagen wird, bei welchem das CO2 in reiner Form und unter
Druck, zwecks nachfolgender Verflüssigung, abgegeben wird.
Dabei geht das Verfahren von einem CO2-Prozess mit einer inneren
Verbrennung aus, bei welchem zur Erhitzung der sich im Kreislaufs
befindlichen CO2-Masse, welche Erhitzung vorzugsweise anhand eines
gasförmigen Brennstoffes bewerkstelligt wird, nur jene erforderliche
Sauerstoffmenge zugeführt wird, die zur Oxydation eben dieses Brennstoffs
notwendig ist.
Durch eine entsprechende Abzapfung von CO2 aus dem Kreislauf an
geigneter Stelle kann fortlaufend der Aufladungsgrad und damit die Leistung
des Prozesses geregelt werden.
Anschliessend, durch Auskondensierung des aus dem Prozess
ausgeschiedenen CO2 wird sodann jener Aggregatzustand dieses Gases
bewerkstelligt, bei welchem sich das anfallende CO2 unter umweltschonenden
Gesichtspunkten, insbesondere was die Treibhausproblematik betrifft, leicht
entsorgen lässt.
Ein weiterer wesentlicher Vorteil der Erfindung ist darin zu sehen, dass hiermit
Abhilfe gegen die Tatsache geschaffen wird, dass alle luftatmenden
Verbrennungsmaschinen auch Stickoxide erzeugen, welche als
Luftschadstoffe wirken und deren Entstehung mit kostspieligen Massnahmen
bekämpft werden muss, dies nicht zuletzt im Lichte der weltweit restriktiven
Gesetze über die zulässigen Schadstoffemissionen. Indem bei
Rezirkulationsbetrieb mit reinem Sauerstoff kein Luftstickstoff in die Flamme
kommt, entsteht auch kein NOx. Falls der Brennstoff gebundenen Stickstoff
mitbringen sollte, ist zwar mit einer geringen NOx-Bildung zu rechnen. Da aber
das Überschussgas eine viel kleiner Menge als das Abgas bei Luftbetrieb
darstellt, ist dessen Nachbehandlung einfacher und billiger.
Weiter ist mit dem erfindungsgemässen CO2-Kraftwerk eine Abscheidung von
inerten Gasen, welche beispielsweise durch die gasförmige Energiezufuhr
eingeschleppt werden, vereinfacht möglich. Auf diese Weise wird auch die
Verunreinigung und der evtl. damit verbundenen Wirkungsgradverlust des
CO2-Kreislaufs minimiert.
Vorteilhafte und zweckmässige Ausführungen der erfindungsgemässen
Aufgabenlösungen sind in den weiteren Ansprüchen gekennzeichnet.
Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung eines CO2-Kraftwerks mit
erfindungsgemässer Schaltung,
Fig. 2 T-S-Diagramm des erfindungsgemässen CO2-Kreislaufs,
Fig. 3 eine zweite Ausführungsform einer schematische Darstellung eines
CO2-Kraftwerks mit erfindungsgemässer Schaltung,
Fig. 4 T-S-Diagramm des erfindungsgemässen CO2-Kreislaufs gemäss
Fig. 3,
Fig. 5 eine dritte Ausführungsform einer schematische Darstellung eines
CO2-Kraftwerks mit erfindungsgemässer Schaltung und
Fig. 6 T-S-Diagramm des erfindungsgemässen CO2-Kreislaufs gemäss
Fig. 5.
Es sind nur die für die Erfindung wesentlichen Elemente dargestellt. Gleiche
Elemente werden in verschiedenen Zeichnungen gleich bezeichnet.
Fig. 1 zeigt eine Gasturbine 3 mit geschlossenem CO2-Kreislauf nach
erfindungsmässiger Schaltung. Dieser Kreislauf besteht aggregatenmässig
aus einer Pumpe 1, einem mit dieser Pumpe 1 gekoppelten Generator 5,
einer mit der Pumpe 1 gekoppelten Gasturbine 3, einer zwischen Pumpe 1
und Gasturbine 3 wirkende Brennkammer 2. Die Kopplung der
Strömungsmaschinen 1 und 3 kann anhand einer gemeinsamen Welle 19
bewerkstelligt werden. Das von der Pumpe 1 angesaugte Kreislaufmedium,
bei dem es sich vorwiegend um CO2 handelt, strömt nach erfolgter
Kompression durch die Pumpe 1 in die Brennkammer 2, in welcher die
kalorische Aufbereitung dieses Mediums stattfindet, das dann als Heissgase
21 die Gasturbine 3 beaufschlagt. Nach der Verdichtung wird das
komprimierte Umlaufgas, wie bereits dargelegt, der Brennkammer 3
zugeführt. Die Abgase 20 der Gasturbine 3 werden an einem Wärmetauscher
11 vorbei geleitet, danach wird flüssiges Wasser über ein Ventil 10
abgespalten. Die Abgase 20 werden weiter in einen Kondensator 4 geleitet, in
welchem sie verflüssigt werden. Über ein Ventil 8, das die Funktion eines
Überschussgasventil erfüllt, wird dieser CO2-Anteil aus dem geschlossenen
Kreislauf abgelassen. Das Umlaufgas besteht überwiegend aus CO2, enthält
aber allenfalls auch noch parasitische Gase, welche mit dem Sauerstoff und
Brennstoff sowie beim Anfahren mit Luft eingeschleppt worden sind, sowie
Umwandlungsprodukte davon, beispielsweise NOX. Nach der Kondensation
des CO2 in einem Kondensator 4 wird dieser verflüssigte CO2-Massenstrom
zur Entsorgung abgeführt, beispielsweise und/oder vorzugsweise auf dem
Meeresgrund oder in eine ausgebeutete Erdgaslagerstätte. Diese Entsorgung
an geeigneter Stelle mit geeigneten Mitteln löst schlagartig und nachhaltig die
Problematik des Treibhauseffekts durch den ständigen Ausstoss vom
gasförmigen CO2 in die Atmosphäre. Daneben werden die parasitischen Gase
ebenfalls in Wirkverbindung mit dem genannten Kondensator 4 über ein Ventil
9 ausgeschieden, wobei dieser sehr kleine Massenstrom einer weiteren
Separation unterworfen werden kann oder an die Atmosphäre abgegeben
wird. Im Zusammenhang mit dem Betrieb der Brennkammer 2 wird die in
einer Luftzerlegungsanlage produzierte Sauerstoffmenge 7 in einem
Kompressor nachkomprimiert und über ein Regelorgan in die Brennkammer 2
eingegeben. Parallel dazu strömt auch ein über ein Regelorgan entsprechend
abgestimmter Brennstoff 6, der vorzugsweise Erdgas ist, oder auch andere
Kohlenwasserstoffe oder CO oder Gemische derselben, in die
Brennkammer 3, wobei mit der zugegebenen Sauerstoffmenge 7 die
kalorische Aufbereitung des komprimierten Umlaufgases bewerkstelligt wird.
Das aus der Brennkammer kommende Heissgas wird anschliessend in der
nachgeschalteten Gasturbine 2 entspannt. Im Sinne des hier gezeigten
geschlossenen Kreislaufes werden die aus der Gasturbine 3 abströmenden
Abgase 20 durch einen Wärmetauscher 11 geleitet.
Bei der hier gezeigten Schaltung handelt es sich streng genommen um einen
quasi-geschlossenen Kreislauf, der druckfest ausgebildet ist, wobei bei
verschiedenen Betriebsarten auch eine vakuumfeste Kreislaufführung möglich
ist. Durch Drosseln oder Öffnen des Überschussgasventils 8 lädt sich der
Kreislauf von selbst auf oder ab, wobei der umlaufende Massenstrom und die
Leistung entsprechend steigen oder sinken. Die Anlage hat im ganzen
Druckbetrieb, soweit das CO2 innerhalb des Kondensationsbereichs E-A liegt,
etwa einen konstanten Wirkungsgrad.
Der Kreisprozess der in der Fig. 1 dargestellten Schaltung einer CO2-
Gasturbinenanlage wird in der Fig. 2 im T-S-Diagramm vom CO2
verdeutlicht. Die Arbeitspunkte A, B, X, C, D, E entsprechen den in der Fig. 1
bezeichneten Punkten. In der Fig. 2 wird auch das Nassdampfgebiet des
CO2 mit dem Kritischen Punkt KP dargestellt. Die Erfindung liegt darin, dass
vom Arbeitspunkt D, welcher nach der Entspannung der Gasturbine vorliegt,
durch den Wärmetauscher 11 und den Wärmetauscher 12 soviel Wärme
entzogen wird, dass das CO2-Nassdampfgebiet erreicht und durchquert wird
und CO2 in flüssiger Form vorliegt, welches einfach abgezogen werden kann.
Durch den Einsatz der Pumpe 1, welche mit einer sehr kleinen Arbeitsleistung
das flüssige CO2 verdichtet und dadurch wieder in den gasförmigen Zustand
fördert (Arbeitspunkte von A nach B), wird in dieser Schaltung ein
leistungsintensiver Kompressor vermieden. Im Prinzip ist es möglich, vom
Arbeitspunkt B nach C durch reine Energiezufuhr durch die Brennkammer 2
zu kommen. Ein Teil kann aber durch den regenerativen Einsatz der
entzogenen Wärme erreicht werden, so dass bereits ein Arbeitspunkt X
erreicht wird.
Fig. 3, eine im Grundprinzip der Fig. 1 sehr ähnlichen Schaltung,
unterscheidet sich insbesondere gegenüber Fig. 1 darin, dass hier nur ein
Teilstrom des CO2 das Nassdampfgebiet durchquert, während der andere
Teilstrom vor dem Kondensator abgespalten und über einen Verdichter 18
geleitet wird, bevor es dem Kreislauf vor der Brennkammer 2 wieder zugeführt
wird. Das hat den Vorteil, dass im Punkt O eine höhere Temperatur erreicht
wird, weil die den Abgasen im Wärmetauscher 11 entzogene Wärme dem
Kreislauf nach der Pumpe 1 durch einen Wärmetauscher 14 wieder zugeführt
wird. Im T-S-Diagramm, welches in der Fig. 4 dargestellt ist, wird dieser
rekuperative Einsatz der Wärme in dem Prozess durch die Arbeitspunkte D-N
(Wärmeentzug nach der Gasturbine 3) und den Arbeitspunkten B-O
(Wärmerückführung nach Pumpe 1) dargestellt. Ein Teil des CO2-Gases wird
von N nach O durch polytrope Verdichtung vorgewärmt.
Die Fig. 5 zeigt einen geschlossenen mit CO2 aufgeladenen
Gasturbinenprozess, welcher so betrieben wird, dass der Brennkammer 2 der
Brennstoff, hier als CH4, und der dazugehörige Oxydator, hier als O2,
zugeführt wird, wobei auch hier als Ziel feststeht, das entstandene
überschüssige CO2 und das H2O an geeigneter Stelle auszuscheiden. In der
Ausführungsform der Fig. 5 werden die Abgase 20, welche von der
Gasturbine 3 kommen, in einem Verdichter 18 verdichtet und erst danach,
nach rekuperativem Wärmeentzug, dem Kondensator 4 zugeführt, in welchem
ein Teilstrom des verflüssigten CO2 abgezogen wird. Der Verdichter 18 ist, wie
auch in der Ausführungsform der Fig. 3, auf einer gemeinsamen Welle mit
der Pumpe 1, der Gasturbine 3 und dem Generator 5 angeordnet. Die Fig. 5
zeigt den Einsatz dreier rekuperativer Wärmetauscher, welche die Wärme der
Abgase 20 (durch Wärmetauscher 15, 16) und das erwärmte, verdichtete CO2
(nach Verdichter 18) der Leitung 17 nach der Pumpe 1 zuführt, welche das
CO2 mit maximal möglicher Vorwärmtemperatur zur Brennkammer 2 leitet.
Das der Schaltung entsprechende T-S-Diagramm ist in der Fig. 6 dargestellt.
Die Arbeitspunkte D-L (erster Wärmetauscher 16 nach Gasturbine 3), L-M
(zweiter Wärmetauscher 15 nach Gasturbine 3), und I-H (Wärmetauscher 14
nach Verdichter 18) verdeutlichen diesen Wärmeübergang in der Fig. 6 zu
den Arbeitspunkten B-F (korrespondierend auf der Seite der Leitung 17 zu den
beiden Wärmetauschern 14, 15) und F-G (korrespondierend zu
Wärmetauscher 16). Der Einsatz der Wärmetauscher 14, 15, 16 dient zur
Brennstoffeinsparung. Nach wie vor wird Wasser durch ein Ventil 10 nach
dem Wärmetauscher 14 abgespalten. Zusätzlich kann vor dem Verdichter 18
ein Wärmetauscher 13 angeordnet sein.
Die rein thermodynamische Schaltung dieser drei Kreislaufsysteme sind in
Verbindung mit einer unmittelbaren Wärmezufuhr durch innere Verbrennung
von kohlenstoffhaltigem Brennstoff mit O2 zu setzen.
1
Pumpe
2
Brennkammer
3
Gasturbine
4
Kondensator
5
Generator
6
Leitung für CH4
7
Leitung für O2
8
Ventil
9
Ventil
10
Ventil
11
Wärmetauscher
12
Wärmetauscher
13
Wärmetauscher
14
Wärmetauscher
15
Wärmetauscher
16
Wärmetauscher
17
Leitung nach Pumpe
1
18
Verdichter
19
Welle
20
Abgase
21
Heissgase
A, B, C, D, E, F, G, H, I, L, K, M, N, O, X = Zustandspunkte im T-S- Diagramm vom CO2
A, B, C, D, E, F, G, H, I, L, K, M, N, O, X = Zustandspunkte im T-S- Diagramm vom CO2
KP Kritischer Punkt
Claims (6)
1. Verfahren zum Betrieb einer CO2-Gasturbinenanlage, die CO2-
Gasturbinenanlage bestehend aus mindestens einer Brennkammer (2), in
welche ein Brennstoff mit Sauerstoff verbrannt wird, mindestens einer
Turbine (3) und mindestens einem Generator (5),
dadurch gekennzeichnet, dass
die Abgase (20) der Gasturbine (3) über einen Wärmetauscher (11)
geleitet werden, danach H2O abgespalten wird, wonach die Abgase (20) in
einen Kondensator (4) gelangen, welcher das CO2 verflüssigt und einen
Teil des CO2 und nicht kondensierbare Gase abscheidet, und der andere
Teil des CO2 über eine Pumpe (1), welche das verflüssigte, unterkritische
CO2 auf einen überkritischen Druck fördert, zur Brennkammer (2) vor der
Gasturbine (3) gelangt, wo Rauchgase (21) erzeugt werden, mit denen die
Gasturbine (3) betrieben wird.
2. Verfahren zum Betrieb einer CO2-Gasturbinenanlage gemäss Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass
ein Wärmetausch zwischen dem Wärmetauscher (11), welcher nach der
Gasturbine (3) angeordnet ist, und einem Wärmetauscher (14), welcher
nach der Pumpe (1) angeordnet ist, stattfindet.
3. Verfahren zum Betrieb einer CO2-Gasturbinenanlage gemäss einem der
Ansprüche 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, dass
ein Teil der noch unverflüssigten Rauchgase (20) nach dem
Wärmetauscher (11) und vor dem Kondensator (4) an einen Verdichter
(18) geleitet werden, dort verdichtet werden und nach der Pumpe (1) vor
der Brennkammer dem CO2-Kreislauf wieder zugeführt werden.
4. Verfahren zum Betrieb einer CO2-Gasturbinenanlage gemäss einem der
Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Rauchgase (20) nach der Gasturbine (3) vor dem Kondensator (4)
verdichtet werden.
5. Verfahren zum Betrieb einer CO2-Gasturbinenanlage gemäss Anspruch 4,
dadurch gekennzeichnet, dass
ein Wärmeaustausch stattfindet zwischen den Rauchgasen (20) und den
verdichteten Rauchgasen nach dem Verdichter (18) auf der einen Seite
und dem CO2 nach der Pumpe (1), bevor es der Brennkammer (2)
zugeführt wird, auf der anderen Seite.
6. Verfahren zum Betrieb einer CO2-Gasturbinenanlage gemäss Anspruch 5,
dadurch gekennzeichnet, dass
der CO2-Strom nach der Pumpe (1) geteilt wird, ein Teilstrom über einen
Wärmetauscher (14) nach dem Verdichter (18) geleitet wird, der andere
Teilstrom über einen Wärmetauscher (15) nach der Gasturbine (3) geleitet
wird, die beiden Teilströme wieder zusammengeführt werden und vor der
Brennkammer (2) über einen Wärmetauscher (16), geleitet werden,
welcher mit den heissen Rauchgasen (20) direkt nach der Gasturbine (3)
gespeist wird.
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Cited By (3)
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