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Die Erfindung bezieht sich auf ein
GuD-Kraftwerk mit einer Gasturbine und einem Dampf/Wasser-Kreislauf
für den
Dampfturbinenprozess, dessen Bestandteile ein Dampferzeuger (Abhitzekessel)
und ein Turbinensatz sind. Außerdem
betrifft die Erfindung Verfahren zum Betrieb von Kraftwerken dieser Art.
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Beim GuD-Prozess handelt es sich
um eine Kombination eines Gasturbinenprozesses mit einem Dampfturbinenprozess.
Je nachdem ob mit dem GuD-Kraftwerk nur Strom oder neben Strom auch Wärme erzeugt
werden soll, wird zwischen GuD-Prozessen mit und ohne Kondensationsbetrieb
unterschieden.
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Bei GuD-Kraftwerken ohne Kondensationsbetrieb,
bei denen der Abdampf aus den Dampfturbinenteil der GuD-Anlage zu
Heizzwecken oder als Prozessdampf verwendet wird, ist die Kraftwerksleistung
abhängig
von der Dampfmenge, die aus dem Dampfturbinenteil entnommen werden
kann. Eine große
Dampfentnahmemenge geht einher mit einer hohen Kraftwerksleistung,
eine geringe Dampfentnahmemenge entspricht einer niedrigen Kraftwerksleistung.
In der beschriebenen Konstellation ist eine Einflussnahme auf die
Stromproduktion durch Reaktion auf Stromüberschuss oder -mangel bzw.
die daraus resultierenden Marktpreisen kaum möglich. Das GuD-Kraftwerk wird
unflexibel gegenüber
den Gegebenheiten am Strommarkt betrieben.
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Bei GuD-Kraftwerken mit Kondensationsbetrieb:
Um
die Schwankungen im Strombedarf ausgleichen bzw. Einnahmen aus den
daraus resultierenden Marktpreisen erzielen zu können, ist eine – gegenüber dem
mittleren Strombedarf – größer dimensionierte
Kraftwerksanlage erforderlich. Von Nachteil sind die damit einhergehenden
Investitionskosten. Zu dem wird das GuD-Kraftwerk nicht ständig bei Volllast
betrieben werden können;
ein Teillastbetrieb führt
in der Regel zu kleineren Wirkungsgraden, wodurch sich die spezifischen
Arbeitskosten aufgrund des höheren
spezifischen Brennstoffverbrauchs erhöhen.
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Zum Stand der Technik gehört auch
noch der Inhalt der Druckschriften
DE-A-35
34 687 und
US-A-44
79 353 . Diese beziehen sich jedoch nicht auf GuD-Kraftwerke.
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Der vorliegenden Erfindung liegt
die Aufgabe zugrunde, die geschilderten, beim Betrieb bekannter GuD-Kraftwerke
bestehenden Nachteile zu beseitigen.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die
Maßnahmen
und Merkmale der Patentansprüche gelöst. Die
Ausrüstung
des GuD-Kraftwerkes mit einem Wärmespeicher
ermöglicht
es, eine thermodynamische Entkopplung des Gasturbinenteils vom Abhitzeteil
zu erreichen. Daraus ergeben sich die folgenden Vorteile:
Vorteil
eines GuD-Kraftwerkes ohne Kondensationsbetrieb: Die Gasturbine
kann im Rahmen der Reichweite des Wärmespeichers unabhängig von
der Last des Abhitzeteils des GuD-Kraftwerkes betrieben werden.
Dadurch können über den
Betrieb des GuD-Kraftwerkes zusätzliche
Einnahmen aus der Strompreisdifferenz erzielt werden, die durch
den Stromüberschuss
bzw. die verstärkte
Stromnachfrage entsteht. Auch können
Verluste vermieden werden, wenn die Erlöse aus dem Stromverkauf – beispielsweise
nachts – die
Brennstoffkosten bzw. die im wesentlichen durch die Brennstoffkosten
bestimmten Stromgestehungskosten nicht decken.
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Vorteil eines GuD-Kraftwerkes mit
Kondensationsbetrieb: Zur Erzielung der oben genannten zusätzlichen
Einnahmen muss lediglich der Gas-turbinenteil des GuD-Kraftwerkes
für eine
höhere
Leistung dimensioniert sein. Alle weiteren Anlagenteile bleiben
von dem modifizierten GuD-Betrieb in ihren Abmessungen unbetroffen.
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Ein weiterer Vorteil beider Varianten
ist, dass Beiträge
zur Stabilisierung der Netzfrequenz (Bereitstellung von sogenannter
Regelenergie) geleistet werden können.
Die hieraus erzielbaren Einnahmen kämen ebenfalls dem Kraftwerksbetreiber
zu Gute. Aufgrund der hohen Einnahmen am Strommarkt ist es zurzeit
besonders günstig,
Regelenergie bereitzustellen und zu verkaufen.
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Weitere Vorteile beider Varianten:
Offene Gasturbinen (Gasturbinen-Kraftwerk
ohne Abhitzekessel) können
mit sehr hohen Laständerungsgeschwindigkeiten
betrieben werden und sind damit für die Bereitstellung von Regelenergie
besonders gut geeignet. Allerdings bringt der Betrieb offener Gasturbinen
den Nachteil mit sich, dass der elektrische Wirkungsgrad bei der
Stromerzeugung vergleichsweise gering ist (max. 40%) und der spezifische Brennstoffbedarf
entsprechend hoch ist. Mit GuD-Kraftwerken
sind Laständerungen
nur mit geringerer Geschwindigkeit möglich, was nachteilig ist; der
Prozess arbeitet allerdings bei höheren elektrischen Wirkungsgraden
(bis ca. 58%). Die erfindungsgemäße Lösung vereint
den Vorteil hinsichtlich hoher Laständerungsgeschwindigkeiten offener
Gasturbinen mit den Vorteilen höherer
Wirkungsgrade von GuD-Kraftwerken.
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Weitere Vorteile und Einzelheiten
der Erfindung sollen anhand von in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispielen
erläutert
werden. Es zeigen
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1 eine
Ausführung
eines GuD-Kraftwerkes nach der Erfindung und
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2 bis 4 mögliche technische Ausführungsformen
von Wärmespeichern.
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Anhand der 1 wird zunächst der GuD-Prozess vereinfacht
dargestellt, wie er ohne die Einbeziehung des Wärmespeichers abläuft. Die
Gasturbine 110 setzt sich aus den Komponenten Verdichter 111,
Brennkammer 112 und Turbine 113 zusammen. Die
mit dem Brennstoff in den Prozess eingebrachte Energie wird zu einem
Teil in Rotationsenergie der Turbine und anschließend weiter
in elektrische Energie (Stromgenerator 109) und zu einem
anderen Teil in Wärme
umgesetzt. Um die am Austritt der Gasturbine im Abgas enthaltene
Wärme möglichst
weitgehend zu nutzen, wird der Abgasstrom über die Leitung 114 in
einen so genannten Abhitzekessel 127 geleitet. Dort wird
die in dem Abgasstrom enthaltende Wärme zum größten Teil über die Wärmetauscher 128 und 129 an
den Wasser-/Dampfkreislauf des Abhitzekessels übertragen. Es ist auch bekannt,
dem Abhitzekessel/Dampferzeuger in einer separaten Brennkammer aufgeheizte
Gase zusätzlich
zuzuführen.
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Der Wasser-/Dampfkreislauf ist wie
folgt beschrieben: Wie bei einem konventionellen Kraftwerk wird
das Prozesswasser hinter der Speisepumpe 139 vorgewärmt, verdampft
und überhitzt.
Der überhitzte Dampf
wird in der Hochdruckturbine 130 entspannt und üblicherweise über die
Leitung 129 im Abhitzekessel zwischenüberhitzt. Mittels der Leitung 134 wird
der zwischenüberhitzte
Dampf in die Mitteldruckturbine 131 und anschließend über die
Leitung 135 in die Niederdruckturbine 132 geleitet
und stufenweise entspannt. Die Teilturbinen 130, 131 und 132 sind üblicherweise über eine
gemeinsame Welle mit dem Generator 133 verbunden, in dem
die Rotationsenergie der Turbinen in elektrischen Energie umgewandelt
wird. Über
die Leitung 136 wird der entspannte Dampf in den Kondensator 137 geleitet,
dort verflüssigt
und anschließend über die
Leitung 138 zur Speisepumpe 139 geleitet. Aus
Gründen
der Vereinfachung wird in 1 auf
die Darstellung und Beschreibung der Vorwärmerstrecken und eventueller Anzapfungen
von Dampf, der beispielsweise zu Heizzwecken benötigt wird, verzichtet.
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Die gewünschte thermodynamische Entkopplung
des Turbinenteils von dem Abhitzeteils des GuD-Kraftwerkes geschieht
mit Hilfe des Wärmespeichers 118.
Der Wärmespeicher 118 ist
innerhalb des GuD-Prozesses im Rauchgasverlauf zwischen dem Austritt
aus der Gasturbine 110 und dem Eintritt in den Abhitzekessel 127 des
GuD-Kraftwerks angeordnet. Hierdurch wird die Entkopplung der Gasturbine
von dem Abhitzekessel erreicht. Dies ermöglicht es, die schnell regelbare
Gasturbine zur Bereitstellung von Regelenergie zu nutzen, ohne den
Abhitzeprozess eines GuD-Kraftwerks zu beeinflussen.
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Da GuD-Kraftwerke, wie sie beispielsweise in 1 dargestellt sind, in der
Regel mit Erdgas oder Erdöl
betrieben werden, enthalten deren Rauchgase kaum Staub- oder Schmutzpartikel.
Daher eignen sich Schüttungen,
z. B. aus Kies, gut als Wärmespeichermaterialien,
da bei dem hohen Verhältnis von
Schüttgutoberfläche zum
Schüttgutvolumen
das Wärmeübertragungsverhalten
günstig
ist.
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In Folgenden wird der Einspeicherprozess beschrieben:
Die Wärmespeicherschüttung wird
mit heißen
Abgasen der Gasturbine erwärmt,
die zu diesem Zweck in den Wärmespeicher
geleitet werden. Dies erfolgt durch Androsselung des den Abhitzekessel 127 durchströmenden Gasstroms über die
Klappe 124 oder über
ein Gebläse 140,
das bei geöffneter Klappe 119 über die
Leitung 120 Rauchgas aus dem Wärmespeicher 118 herauszieht.
Die Verwendung des Gebläses 140 hätte den
Vorteil, dass der Abhitzekessel 127 nicht unter einem erhöhten Überdruck betrieben
werden müsste.
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Die Rauchgase heizen das Wärmespeichermedium
nach und nach von unten nach oben auf, wobei sich innerhalb der
Speicherschüttung
die in 2 dargestellte
Temperaturverteilung ausbildet, die für dieses Speicherprinzip typisch
ist.
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Vorteilhaft an der in 1 dargestellten Anordnung
von Gebläsen
und Klappen ist, dass diese Einrichtungen auf der kalten Seite des
Kraftwerksprozesses angeordnet sind, und somit keiner starken thermischen
Beanspruchung unterliegen. Von der verfahrenstechnischen Prozessführung her
könnte der
gleiche Effekt auch mit einer Drosselklappe in der Leitung 114 hinter
der Abzweigung der Leitung 116 und einer weiteren Klappe
in der Leitung 116 selbst erzielt werden. Diese Klappen
sind nicht in 1 dargestellt.
Bei dieser Anordnung wären
die Klappen Rauchgasen mit Temperaturen von ca. 400°C bis 600°C ausgesetzt,
was technisch anspruchsvoll ist und auch höhere Anschaffungs- und Wartungskosten für diese
Einrichtungen bedeuten würde.
Vorteilhaft an dieser Verfahrensführung ist, dass sich ein Gebläse am Ende
der Leitung 120 erübrigt.
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Beim Ausspeichern wird die Klappe 119 vollständig geschlossen,
die Klappe 117 vollständig
geöffnet
und die Klappe 124 teilweise geschlossen, so dass nur ein
Teilstrom des Rauchgases über
die Leitung 125 das Kraftwerk verlässt. Der verbleibende Rauchgasstrom
wird dann über
die Leitung 123, das Gebläse 122 und die Leitung 121 in
den Wärmespeicher 118 geleitet.
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Dort wird das Rauchgas im Wärmeaustausch
mit dem Wärmespeichermedium
auf nahezu Abgastemperatur der Gasturbine aufgeheizt. Das heiße Rauchgas
wird über
die Leitungen 116 und 114 in den Abhitzekessel 127 zurück geführt, wo
die in ihm enthaltene Wärme über die
Wärmetauscher 128 und 129 abgegeben
und zur Dampferzeugung genutzt wird.
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Der Wärmespeicher könnte beim
Ausspeichern sowohl mit Rauchgas als auch mit Luft beaufschlagt
werden. Der Betrieb mit Rauchgas ist vorzuziehen, da er zu besseren
Wirkungsgraden führt
und auf der kälteren
Austrittsseite des Wärmespeichers Kondensation
des feuchten Rauchgases auf der kalten Austrittsseite des Wärmespeichers
vermieden wird.
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Der Wärmespeicher 118 kann
in Kombination mit dem GuD-Kraftwerk 110 auf zwei verschiedene
Weisen betrieben werden:
Einerseits kann bei konstanter Leistung
der Gasturbine 110 der Abgasstrom wahlweise in den Wärmespeicher 118 oder
in den Abhitzekessel 127 geleitet werden. Dadurch wird
die thermische und in Folge dessen auch die elektrische Leistung
aus dem Abhitzeprozess verändert;
d. h., die Leistungsregelung erfolgt dementsprechend über die
Dampfturbinen der GuD-Anlage. Diese Fahrweise eignet sich vor allem für GuD-Kraftwerke,
die – wie
in 1 dargestellt – im Kondensationsbetrieb
gefahren werden. Zwar ist die betrieblich mögliche Laständerungsgeschwindigkeit im
alleinigen Gasturbinenturbinenprozess höher als die im Abhitzeprozess,
allerdings ist der durch Laständerungen
bedingte Verschleiß von
Anlagenteilen im Abhitzekessel kostenmäßig deutlich niedriger verglichen
mit dem Verschleiß von
Bauteilen einer Gasturbine. Daher eignet sich diese Betriebsweise
für Anwendungen,
für die
keine extrem hohen Laständerungsgeschwindigkeiten
notwendig sind, z. B. für
das Load Levelling. Unter dem Begriff Load Levelling wird verstanden,
dass tageszeitliche Strompreisschwankungen dadurch ausgeglichen
werden, dass in Zeiten geringer Stromnachfrage bzw. niedriger Strompreise
die Leistung eines Kraftwerkes reduziert wird, um anschließend in
Tageszeiten mit hoher Stromnachfrage und entsprechend hohen Strompreisen das
Kraftwerk mit maximal möglicher
Leistung zu betreiben.
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Andererseits kann bei konstanter
Leistung des Abhitzeprozesses eine Leistungsregelung über die
Gasturbine erfolgen. Bei einer Leistungserhöhung durch die Gasturbine wird
der überschüssige Abgasstrom
aus der Gasturbine in den Wärmespeicher 118 geleitet.
Bei einer reduzierten Leistung der Gasturbine wird der dem Abhitzeprozess
fehlende Abgasstrom durch Rauchgas aus dem Wärmespeicher 118 ersetzt.
Somit bleibt der Abhitzeprozess – im Rahmen der Reichweite
des Wärmespeichers 118 – von den
Laständerungen
der Gasturbine 110 unbeeinflusst. Diese Betriebsweise eignet
sich sowohl für das
so genannte Load Leveling als auch insbesondere zur Bereitstellung
von Regelenergie, da in diesem Fall hohe Laständerungsgeschwindigkeiten erforderlich
sind. Die hohen Erlöse
aus dem Verkauf von Regelenergie rechtfertigen in der Regel die
durch die schnellen Lastwechsel verursachte Lebensdauerverkürzung für die Gasturbine
bei weitem.
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Für
wärmegeführte GuD-Kraftwerke,
bei denen die Leistung des GuD-Prozesses
von der Wärmeabnahme
eines Verbrauchers bestimmt wird (Abhitzeprozess ohne Kondensationsbetrieb),
ist letztere Betriebsweise des Wärmespeichers
besonders geeignet, da dadurch – im
Rahmen der Reichweite des Wärmespeichers – eine Entkopplung
des Abhitzeprozesses vom Gasturbinenprozess möglich wird und demzufolge der
Strom aus der Gasturbine zur Deckung von Regelenergieanforderungen
vermarktet werden kann. Mischformen aus beiden Betriebsarten sind
hierbei ebenfalls möglich.
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In 1 ist
der Wärmespeicher 118 mit
seinen Zu- und Abführungen
schematisch dargestellt. In den 2 bis 4 werden mögliche technische
Ausführungen
der Wärmespeicher
aufgezeigt. Dabei muss zwischen Wärmespeichern mit ruhendem Wärmespeichermedium
und Wärmespeichern
mit bewegten Wärmespeichermedium
unterschieden werden. Bei den Wärmespeichern
mit bewegten Medien, z. B. sogenannten „pebble heater" (vgl. Vorlesung
SS 2002 „Wärmeübertrager
und Dampferzeuger",
Prof. Dr. Renz, Lehrstuhl für
Wärmeübertragung
und Klimatechnik , RWTH Aachen) sind die Temperaturen, die sich
im Wärmespeichermedium
einstellen, einfach darzustellen. Für die technischen Ausführungen
eines Wärmespeichers
mit ruhendem Wärmespeichermedium
sind die Temperaturverläufe
komplexer. Diese werden in 2 dargestellt.
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Der Wärmespeicher mit ruhenden Wärmespeichermedium
selbst wird zweckmäßigerweise
als sogenannter Schicht- oder Zellenspeicher ausgeführt. Im
oberen Bereich der 2 sind
die einzelnen „Wärmespeicherzellen" 400 einzeln
oder als übereinander
angeordnete Speicherzellen in „Wärmespeicherschichten" dargestellt. Die
Zellen sind entweder einzelne Partikel des Speichermediums oder
lose oder zusammenhängende
Anhäufungen
von Partikeln, die untereinander und mit der Umgebung im Wärmeaustausch
stehen. Zur Minimierung von Strömungsverlusten
sind auch Einbauten mit definierten Geometrien denkbar, wie sie
in den so genannten Winderhitzern in Stahlwerken Verwendung finden.
In 2 sind die Einzelschichten
in Strömungsrichtung des
Prozessmedium aufgereiht dargestellt. Je nach Betriebsart des Wärmespeichers „Einspeichern" oder „ Ausspeichern" werden der Wärmespeicher
bzw. die Wärmespeicherzellen
oder – schichten
in der einen oder der umgekehrten Richtung vom Prozessmedium durchströmt. In 2 erfolgt während der
Einspeicherphase die Durchströmung
mit dem wärmeabgebenden
Medium von links nach rechts und während der Ausspeicherphase
analog die Durchströmung
mit dem wärmeaufnehmenden
Medium von rechts nach links.
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Dieser Speichertyp ist dadurch gekennzeichnet,
dass mit geeigneten Maßnahmen
zur besseren Wärmeübertragung
die Wärmeleitung
innerhalb einer Zelle oder einer Schicht begünstigt ist, jedoch in Strömungsrichtung
des wärmeabgebenden
bzw. wärmeaufnehmenden
Mediums, beispielsweise mittels isolierender Zwischenlagen, derart
behindert wird, dass sich eine ausgeprägte Temperaturverteilung in
Richtung der Durchströmung
des Wärmespeichers
ausbilden kann. Die Temperaturverteilung ist qualitativ im unteren
Bereich der 2 dargestellt. Die
X-Achse 401 entspricht der Lauflänge des Wärmespeichers in Strömungsrichtung;
in Y-Richtung (Y-Achse 402)
sind die zugehörigen
Temperaturen der jeweils in X-Richtung aufgereihten Wärmespeicherzellen
oder -schichten zu verschiedenen Zeitpunkten 406 bis 411 des
Ein- und Ausspeicherns aufgeführt.
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Zunächst wird die Wirkungsweise
des Wärmespeichers
mit ruhenden Wärmespeichermedium prinzipiell
beschrieben. Mit Wechsel zum Ein- bzw. Ausspeichern wird die Strömungsrichtung
des Prozessmediums umgekehrt, so dass im Wärmespeicher grundsätzlich zwischen
einem „heißen Ende" und einem „kalten
Ende" unterschieden
werden kann. In dem in 2 dargestellten
Fall wird der Wärmespeicher
beim Einspeichern vom Prozessmedium von links nach rechts durchströmt, so dass
links die heiße
Seite 412 ist, da den Wärmespeicherzellen am
linken Ende des Wärmespeichers
nahezu die Temperatur des heißen
Prozessmediums aufgeprägt ist.
Zum Ausspeichern wird die Strömungsrichtung des
Prozessmedium umgedreht und der Speicher von rechts nach links durchströmt. Daher
nehmen die an rechten Ende des Wärmespeichers
angeordneten Schichten oder Zellen in etwa die Temperatur des kalten
Prozessmediums an. Demzufolge kennzeichnen die Wärmespeicherzellen auf der rechten
Seite das kalte Ende 413 des Wärmespeichers.
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Aufgrund der eingangs erwähnten Einschränkung der
Wärmeleitung
in Strömungsrichtung des
Prozessmediums und Begünstigung
der Wärmeleitung
quer zu Strömungsrichtung
stellt sich ein ausgeprägtes
Temperaturprofil in Strömungsrichtung des
Prozessmediums ein. Je nach Ladezustand des Speichers wandert das
Temperaturprofil beim Ein- bzw. Ausspeichern zwischen den Zellen
an den jeweiligen Enden des Wärmespeichers
hin und her, und zwar beim Einspeichern nach rechts und beim Ausspeichern
nach links.
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Der Wärmespeicher wird derart betrieben, dass
sich in den Zellen oder Schichten, die den seitlichen Speicherenden
nahe liegen, näherungsweise die
Temperatur des jeweils einströmenden
Mediums einstellt – je
nach Zustand „Einspeichern
oder Ausspeichern".
Der Ausspeicherprozess wird also beendet, sobald die Temperaturen
am heißen
Ende 412 des Wärmespeichers
spürbar
sinkt. Umgekehrt wird der Einspeicherprozess beendet, sobald die
Temperatur am kalten Ende 413 des Wärmespeichers spürbar ansteigt.
Voraussetzung hierfür
ist, dass zwischen Wärmspeichermedium
und Prozessmedium durch hinreichend große Wärmetauscherflächen und über Wärmeleitung
innerhalb der Zellen oder Schichten ausreichend Wärme von
dem Prozessmedium abgegeben bzw. aufgenommen werden kann.
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Dadurch, dass an der heißen Seite 412 des Wärmespeichers
das beim Einspeichern in den Wärmespeicher
eintretende Prozessmedium (Durchströmung von links nach rechts)
nahezu die gleiche Temperatur und den gleichen Druck aufweist, wie
das beim Ausspeichern aus dem Wärmespeicher
austretende Prozessmedium (Durchströmung von rechts nach links),
wird sichergestellt, dass der Kraftwerksprozess in allen dargestellten
Speicherphasen unbeeinträchtigt
vom Betriebszustand des Wärmespeichers
betrieben werden kann.
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Im unteren Bereich der 2 sind die Temperaturverläufe im Wärmespeicher
in Abhängigkeit von
der Lauflänge
in Strömungsrichtung
zu unterschiedlichen Zeitpunkten des Ein- und Ausspeicherns dargestellt.
Je nach Ladezustand des Wärmespeichers
wandert die Temperatur innerhalb der Aufreihung der Wärmespeicherzellen
oder -schichten, die sich nicht direkt am kalten oder heißen Ende des
Wärmespeichers
befinden, zwischen den Temperaturen ϑu (Linie 403)
und ϑo (Linie 405) hin
und her. Die Temperatur ϑo würde dem
typischen Temperaturniveau am Austritt einer Gasturbine entsprechen,
das zwischen 400°C
und 600°C
liegt. Die Temperatur ϑu liegt
entweder bei dem Betrieb des Wärmespeichers
mit Rauchgases auf dem Niveau des aus dem Abhitzekessel 127 austretenden
Rachgases (80°C
bis 150°C)
oder bei dem Betrieb mit Luft auf dem Temperaturniveau der Umgebung.
Bei einem Betrieb des Wärmespeichers
mit Umgebungsluft ist es weiterhin denkbar, die erforderlichen Luftmengen
mittels des aus dem Abhitzekessel 127 austretenden Rauchgases
vorzuwärmen.
Aus Vereinfachungsgründen
ist diese Möglichkeit
nicht bildlich dargestellt.
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Der Temperaturverlauf 406 stellt
den Wärmespeicher
im entladenen Zustand dar. D.h. unmittelbar rechts von den Zellen
bzw. Schichten am linken, heißen
Ende des Wärmespeichers
sinkt die Temperatur auf das Niveau der rechten, kalten Seite ab.
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Einspeichern: Das Prozessmedium durchströmt die Wärmespeicherzellen 400 von
links nach rechts. Dabei werden die Wärmespeicherzellen, die eine
niedrigere Temperatur als das Prozessmedium aufweisen, durch das
Prozessmedium aufgeheizt. Dabei kühlt sich das Prozessmedium
nach und nach auf das Niveau der kalten Seite des Wärmespeichers ab.
Es entsteht in der Regel ein S-förmiges
Temperaturprofil, wie es in 2,
Nummern 406 bis 411 dargestellt ist. Ursächlich hierfür ist, dass
in den links befindlichen Zellen des Wärmespeichers die treibende Temperaturdifferenz
wischen Prozess- und Wärmespeichermedium
gering ist und sich somit das Wärmespeichermedium
nur geringfügig
aufheizt. Der Temperaturgradient zwischen den Zellen des Wärmespeicher
verläuft
dementsprechend flach. In den weiter rechts befindlichen Wärmespeicherzellen steigt
die o.g. Temperaturdifferenz stark an, so dass die an das Wärmespeichermedium übertragene
Wärmemenge
sich stark vergrößert und
demzufolge der Temperaturgradient zwischen den Wärmespeicherzellen ansteigt.
Aufgrund der Abkühlung
des Prozessmediums verringert sich anschließend die treibende Temperaturdifferenz
zwischen Prozessmedium und Wärmespeichermedium,
so dass der Temperaturgradient zwischen den einzelnen Wärmespeicherzellen
wieder abnimmt.
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Während
der Einspeicherphase verschiebt sich das S-förmige Temperaturprofil zu den
benachbarten Zellen bzw. Schichten von links nach rechts. In 2 sind die Temperaturverläufe durch
die Kurven 407 bis 411 dargestellt. Dabei tritt
in der zeitlichen Abfolge zuerst der Kurvenverlauf 407,
dann 408 usw. auf. Der Einspeichervorgang wird beendet,
sobald die Temperatur der Wärmespeicherzelle
am rechten, kalten Ende merklich ansteigt. Dies entspricht in etwa dem
Temperaturverlauf 411.
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Ausspeichern: Beim Ausspeichern treten aufgrund
des oben beschriebenen Verhaltens der treibenden Temperaturdifferenz
zwischen Prozess- und Wärmespeichermedium
identische Temperaturgradienten bzw. S-förmige Temperaturprofile innerhalb
der aufgereihten Wärmespeicherzellen
bzw. – schichten
wie beim Einspeichervorgang auf, allerdings bei umgekehrter Richtung
des Wärmetransportes.
Zum Beginn der Ausspeicherphase ist das Temperaturprofil nahezu
identisch mit dem Temperaturprofil zum Ende der Einspeicherphase,
d.h. das Temperaturprofil entspricht der Kurve 411 in 2. Beim Ausspeichern wandert
das Temperaturprofil innerhalb des Wärmespeichers von rechts nach
links. Im zeitlichen Ablauf tritt zuerst das Temperaturprofil 410, dann 409 usw.
auf. Der Ausspeichervorgang wird beendet, sobald die Temperatur
am linken, heißen
Ende des Wärmespeichers
merklich absinkt. Zu diesem Zeitpunkt hat sich in etwa der Temperaturverlauf 406 eingestellt,
der an dieser Stelle auch zu Beginn des Einspeichervorganges vorherrschte.
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Es ist möglich den Wärmespeicher nur teilweise aufzuladen
oder nur teilweise zu entladen. Der Einspeichervorgang kann beispielsweise
abgebrochen werden, wenn sich gerade das Temperaturprofil 408 eingestellt
hat. Im stromwirtschaftlich optimiertem Betrieb hängt es im
Wesentlichen von den in der jeweiligen Situation vorliegenden Strompreisen
bzw. Strompreisprognosen ab, ob der Wärmespeicher nur teilweise oder
vollständig
genutzt wird.
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In 3 ist
eine technische Ausführung
als Schichtspeicher detailliert dargestellt. Die Nummern für die Kanäle 116, 119 und 121 sind
in 1, 3 bzw. auch in 4 identisch.
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Der Wärmespeicher gemäß 3 besteht aus einer Isolierung 352,
dem Wärmespeichermedium 353,
das in der Regel als Schüttung
ausgeführt ist,
den Rauchgasverteilungsräumen 350 und 354 sowie
den Elementen zur Vergleichmäßigung der Strömung 351.
Der Wärmespeicher
ist einsträngig aufgebaut.
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Beim Einspeichern strömt das Rauchgas durch
Kanal 116 in den Rauchgasverteilungsraum 350 in
das Wärmespeichermedium.
Dort gibt das Rauchgas gemäß der Beschreibung
zu 2 seine Wärme an das
Wärmespeichermedium
ab. Idealerweise sollte dabei das Strömungsprofil kolbenförmig ausgestaltet
sein, um bei der Durchströmung
unerwünschte
Kanalbildungen möglichst
zu vermeiden. Das heiße
Ende des Wärmespeichers
befindet sich in 3 an
der linken Seite des Wärmespeichers, das
kalte Ende an der rechten Seite. Das Rauchgas verlässt, nachdem
es den größten Teil
der in ihm enthaltenen Wärme
abgegeben hat, über
Kanal 119 den Wärmespeicher.
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Beim Ausspeichern wird Rauchgas,
in der Regel aus dem Abhitzekessel 127 der 1, über Zwischenstationen
zu Kanal 121 in 3 transportiert.
Dort tritt es in den Rauchgasverteilungsraum 351 in die Wärmespeicherschüttung 353 ein.
Das Rauchgas wird durch die Schüttung
nahezu auf die Temperatur des Wärmespeichermediums
der heißen linken
Seite des Wärmespeichers
aufgeheizt und wird über
Kanal 116 dem GuD-Kraftwerksprozess
zur Verfügung
gestellt.
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Bei der Darstellung des Zellen- bzw.
Schichtspeicherprinzips wurde beschrieben, dass ein Zellen- oder
Schichtspeicher besonders gut funktioniert, wenn die Wärme quer
zur Strömungsrichtung
des Rauchgases gut abgeleitet wird und der Wärmetransport in Strömungsrichtung
behindert wird. Diesem Umstand wird in der technischen Ausführung des
Wärmespeichers
in 4 Rechnung getragen. Der
Wärmespeicher
gemäß 4 ist vom Betrieb und Aufbau ähnlich dem
aus 3. Es werden im Wärmespeicher
gemäß 4 die Wärmeleitung in Strömungsrichtung
durch geeignete Maßnahmen
behindert wird und gleichzeitig über
Einbauten die Rauchgasströmung
vergleichmäßigt.
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In 4 ist
das Wärmespeichermedium
in zahlreiche Zellen 358, 361 und 363 aufgeteilt.
Zwischen den einzelnen Zellen befindet sich materialfreie Zwischenräume 360 bzw. 362,
in denen die Wärmeleitung
zwischen den einzelnen Zellen weitgehend unterbrochen wird. Zur
Vergleichmäßigung der Durchströmung des
Wärmespeichers
sind Einbauten 357 jeweils am Beginn und Ende einer Wärmespeicherzelle
angebracht. Diese Einbauten können
beispielweise aus porösen
Keramiken oder Lochblechen bestehen.